В начале XX века в Троицке насчитывалось десять православных церквей и две часовни. Главным храмом города был и остается Свято-Троицкий собор.

В 1743 году, в день Святой Троицы, оренбургский генерал-губернатор И.И. Неплюев заложил крепость, посвященную Триединому Богу-Творцу, и церковь с таким же названием. В 1754 году началось строительство каменной церкви, завершенное в 1762 году. Это была однопрестольная пятикупольная церковь без колокольни. В 1775 году рядом построили теплую деревянную церковь с двумя престолами: на нижнем этаже в честь Успения Божией Матери, на верхнем, святителя Николая.

В 1823 году из-за ветхости Успенская церковь была разобрана, а престолы перенесены в Троицкую церковь. После пожара 1842 года храм закрыли на год для восстановления. В ходе реконструкции собор значительно увеличился в объеме, расширилась трапезная, а с западной стороны была пристроена четырехъярусная колокольня. Большой вклад в благоустройство собора и других городских церквей внес почетный гражданин Троицка В.М. Пупышев.

Соборное духовенство участвовало во всех значимых событиях, таких как осада города пугачевцами в 1774 году, пожары, визиты духовных и светских лиц, включая наследника престола Николая Александровича в июле 1891 года, и крестный ход с чудотворной Табынской иконой Божией Матери. Все новые церкви в городе изначально были приписаны к собору.

К 1913 году при соборе действовали три приходских и три городских училища, а также одна приходская школа. Среди известных священников были Ф. Галяховский, С. Бирюков, Д. Озерецковский, Г. Аманацкий, И. Тернов, П. Сементовский, В. Лавровский, В. Петропавловский, А. Будрин, М. Менстров, И. Ильин и Г. Троицкий.

В 1918 году в соборе, как и в других храмах России, была проведена опись имущества, изъяты ценности, а здание стало муниципальной собственностью как «молитвенный дом». В 1920-х годах, с образованием Челябинской и Троицкой епархии, Свято-Троицкий храм стал кафедральным собором. В 1930-е годы предпринимались попытки его закрытия, и в мае 1940 года исполком горсовета просил районные и областные власти закрыть собор. В опустевшем здании размещались склад, общежития и спортзал.

В 1997 году храм вернули верующим, а 7 марта 1998 года состоялось его освящение. В 2003 году группа художников-реставраторов из объединения «Росреставрация» Министерства культуры РФ начала работы по реставрации стенописи собора. Художник-иконописец Ю.С. Кадомцева создает иконы для иконостаса.

В 2012 году художники-иконописцы С.Н. Коломыцев и В.Б. Ярцева восстановили роспись купола, опираясь на сохранившиеся фрагменты живописи XIX века.