21 сентября 1797 года архиепископ Тобольский Варлаам Петров выдал грамоту протоиерею Алексею Алексееву из Красноярска. В документе говорилось, что прихожане Канска обратились с просьбой заменить деревянную Спасскую церковь на каменную с приделом Покрова Пресвятой Богородицы. Для строительства уже были заготовлены камень и тес. Работы начались 18 мая 1800 года и завершились в октябре 1804 года. К этому времени были закончены каменные работы на холодной церкви и полностью подготовлен теплый придел, который освятили 22 января 1805 года. Холодная церковь была освящена 5 июня 1814 года.

В период с 1834 по 1839 годы построили теплый придел святителя Николая Мирликийского с северной стороны, освященный 18 января 1839 года, и четырехколонный портик у западного входа, выполненные в стиле классицизма. В 1911-1912 годах губернский архитектор В. Соколовский разработал проект реконструкции, по которому был построен новый южный придел, аналогичный северному, и пристройка к западному фасаду с переносом портика. Были подняты своды трапезной и добавлены окна второго света. Нижний ярус приобрел классицистические формы.

В 1937-1938 годах собор закрыли, купола сняли, а здание использовали под аэроклуб. В 1946 году собор вернули верующим, но в 1964 году его снова закрыли и разместили там театр, а затем краеведческий музей.

К 1961 году разобрали верхние ярусы пятиглавого храма и колокольни, а также главки приделов и апсид. Портики на северном и южном фасадах были утрачены. К восточному фасаду добавили дисгармоничную пристройку, закрывшую алтарные апсиды. Часть проемов заложили, а помещения перепланировали.

В 1987 году в Красноярском ИСИ был выполнен дипломный проект графической реконструкции собора под руководством Шумова К.Ю., Гринберга Ю.И. и Лаврова А.Г. Автором проекта была Е. Слижевская. В 1992 году собор вернули верующим и частично восстановили. Были восстановлены колокольня и четверик главного храма с пятиглавием, а главный престол освятили в честь Святой Троицы.

Основной объем церкви включает высокую квадратную храмовую часть с полукруглой апсидой, трапезную и ярусную колокольню. Поздние пристройки включают северный и южный приделы и западную пристройку. Главный вход оформлен четырехколонным портиком тосканского ордера.

Высокий четверик храма завершен фигурным куполом и пятиглавием. Колокольня восьмигранная в верхних ярусах, с куполом на восьмигранном барабане. Алтарная апсида также увенчана главой на восьмигранном барабане. Квадратное помещение главного храма соединяется с трапезной через арочные проемы. В западной части находится церковный притвор с лестницей на колокольню. В западной пристройке расположены три помещения.

На храмовом четверике расположены окна второго света с полуциркульным завершением, а в трапезной, круглые оконные проемы второго света. Четверик завершен полуглавием, с круглым окном на центральной оси. По бокам возвышаются двухъярусные восьмигранные барабаны глав. Барабан малого восьмерика прорезан узкими проемами. Южный придел завершен фигурным куполом на восьмигранном барабане.

Оконные проемы обведены профилированной тягой и опираются на подоконники. Круглый оконный проем четверика обведен мелкопрофилированной тягой. Карниз 1-го яруса с плоским фризом. Углы колокольни обработаны пилястрами, а проемы яруса звона, архивольтами. Колокольня декорирована карнизами с кронштейнами. Окна второго света обведены тягой. Углы четверика обработаны лопатками с филенками. Стены трапезной и апсид увенчаны карнизами.

Интерьер развивается вдоль продольной оси здания, включающей западную пристройку, притвор, трапезную и сам храм с апсидой. Интерьер храма развит в высоту, с активной ролью сводчатого перекрытия трапезной и окон второго света.

Собор, памятник архитектуры XIX века, является старейшим каменным зданием Канска и образцом енисейской школы позднего сибирского барокко. Основной объем включает высокий четверик с пятиглавием. С севера и юга примыкают приделы, с запада, трапезная и колокольня. Собор расположен на центральной площади исторического центра Канска и является важной градостроительной доминантой.