Одним из первых кирпичных зданий в Уржуме стал Троицкий собор. Этот старинный памятник культового зодчества не был первым на этом месте. Согласно плану Уржума 1785 года, Троицкий собор находился немного левее нынешнего и ближе к реке. Из-за трещины, появившейся в стене в 1811 году, старый собор разрешили разобрать.

В Государственном архиве Кировской области есть документ, связанный с Троицким собором, в котором говорится: «Старый собор разобрать и с колокольней до нижнего этажа, в нижнем этаже средний пролет заложить и сделать в нем теплую палатку, а сверху покрыть крышей, чтобы со временем этот этаж стал жильем для причетников». Однако на более поздних планах 1835 и 1845 годов эти строения не указаны, что свидетельствует о том, что палатка не сохранилась.

В 1811 году началось строительство нового Троицкого собора, который был освящен в 1822 году. Вероятно, колокольня и теплая церковь современного собора остались от постройки 1811-1822 годов.

Современный Троицкий собор был возведен в 1895-1900-х годах. Его здание впечатляет красотой и величием: красные кирпичные стены с белокаменными украшениями и серебристый купол создают незабываемое впечатление. В Кировской области нет аналогичных сооружений.

В конце 1880-х годов горожане и прихожане обратились к Вятской духовной консистории с просьбой о строительстве нового собора. Получив разрешение, 12 декабря 1889 года проектирование поручили Вятскому архитектору В.М. Дружинину. В первой половине 1890 года проект был утвержден, и за его создание В.М. Дружинину заплатили 100 рублей. В 1890 году проект отправили в духовную консисторию, и в декабре 1893 года было получено разрешение на строительство. В мае 1894 года архитектор Дружинин прибыл в Уржум для выбора места под строительство.

Закладка собора состоялась 6 августа 1894 года, после чего начались строительные работы, финансируемые в основном за счет верующих. Лесопромышленник С.И. Стародубцев внес значительные средства в строительство. Кирпич для собора заготавливали на Белой речке, а белый камень привозили из каменоломен на реке Нольке. Алебастр доставляли из окрестностей деревни Красная гора, а известняк, у деревни Федькино.

Купола храма покрыли белой жестью, что придавало им серебристый блеск. Для доставки кирпича к стенам по улице Буйской, ныне Чернышевского, были устроены мостки. Лошади с кирпичом по ним вели возчики.

Архитектор Дружинин посещал Уржум каждое лето в 1895-1898 годах. К концу 1899 года строительство завершилось, и 8 октября 1899 года губернский инженер Г.Е. Янчковский засвидетельствовал окончание работ. Присутствовали протоиерей И.П. Мышкин, священник Е. Троицкий и дьякон Люстрицкий.

В 1900 году завершилось оформление интерьера, и 1 июня был освящен главный престол во имя Святой Троицы. В 1901 году освятили северный придел, а в 1902 году, южный придел.

Службы в соборе продолжались до середины 1930-х годов, после чего началось разграбление. Н.Н. Арбузова пыталась найти остатки иконостаса, но безуспешно. Собор использовали как склад, но в теплой церкви службы не прекращались.

Когда собор вернули верующим, за его восстановление взялись настоятель отец Александр и прихожане. В конце 1980-х и начале 1990-х годов была проведена большая работа по очистке стен, ремонту кровли и окон, восстановлению купола и установке крестов. Сегодня собор выглядит почти так же, как 80 лет назад.