Построен в 1828–1835 (арх. В. П. Стасов) как воинский храм по инициативе Императора Николая I, в память командования им Измайловским полком. Все три престола – главный (во имя Святой Троицы; престольный праздник – День Святой Троицы), северный (св. мч. Иоанна Воина; престольный праздник 12 августа) и южный (св. равноап. Марии Магдалины; престольный праздник 4 августа) – были освящены 25 мая 1835. 

Многие известные деятели культуры и искусства были прихожанами собора. Так, в 1867 здесь венчался Ф. М. Достоевский. В 1894 в соборе отпевали А. Г. Рубинштейна. В 1938 собор был закрыт. Долгое время здание было складским помещением, не отапливалось и постепенно приходило в ветхость, несмотря на толстые стены. После войны были проведены обширные восстановительные работы по фасадам здания; завершены в 1960-х. Внутреннее убранство от бесконечной перемены пользователей, не делавших ничего для его сохранения, пришло в полный упадок. 

В 1990 собор возвращен Церкви. Проведена огромная работа по восстановлению и реставрации собора. После пожара 25 августа 2006 богослужения временно проводятся в воссозданном заново (освящен малым чином 22 мая 2006) приделе св. мч. Иоанна Воина. Памятник архитектуры федерального значения, охраняется государством. Внесен в охранный реестр ЮНЕСКО. Воссоздан и в 2005 торжественно открыт Памятник воинской славы на площади перед собором.