Первое упоминание о соборе относится к 1620 году. Тогда собор был деревянный. После большого пожара он сгорел. В 1726 году на месте сгоревшего деревянного храма была построена соборная церковь вотчины митрополитов Крутицких и Сарских (с. Сундырь, с 1856 г. Мариинский Посад, в 1624–1764 гг. являлось вотчиной митрополитов).
В 1775 г. проводятся значительные работы по его реконструкции и строится отдельно стоящая ярусная колокольня высотой 42 м. В 1903 г. на средства прихожан здание вновь перестраивается – сооружаются 2 придела, паперть, полностью заменён архитектурный декор фасадов.
Церковь приобретает облик характерный для псевдорусской архитектуры начала 20 в. и становится трёхпрестольным собором: главный – во имя Святой Троицы, в приделах с правой стороны – Илии Пророка, с левой – Тихвинской иконы Божией Матери.
При соборе была библиотека и три церковноприходских школ, одна из которых располагалась рядом с храмом. Внутри колокольни также размещался храм Святого пророка Иоанна Предтечи. Большой колокол имел вес 312 пудов (5123 кг.).
Приходских поселений имелось три.
Штат составлял: священник, диакон и псаломщик.
В 1935 году колокольню разрушили, и из ее кирпичей была построена «народная» баня. В 1940 году Троицкий собор закрывается. Здание приспосабливают под размещение в нем пищекомбината, сносятся главы.
По сохранившимся архивным документам можно узнать, что вывезли из Собора около 80 кг серебра с золотом, были уничтожены сложнейшие произведения декоративно-прикладного искусства и живописи.
В 1994 году началось восстановление собора и образование прихода. В наши дни Свято-Троицкий собор представляет собой высокое одноэтажное здание в псевдорусском стиле с пятью большими главами и тремя малыми над алтарем и является историко-культурной ценностью исторического центра г. Мариинский Посад.
