Соборные здания, являющиеся старейшими каменными сооружениями Усть-Сысольска, были возведены еще до того, как поселение получило статус города, на месте прежних деревянных церквей. Первой на берегу Сысолы была построена Покровская церковь, строительство которой началось в 1733 году. В 1753 году рядом с ней началось возведение другой каменной церкви, Троицкой, которая была освящена в 1768 году и имела два престола. Вместе с колокольней, построенной позже, эти церкви образовали единый ансамбль Троицкого собора, включавший Покровскую и Троицкую церкви. Они находились в месте, где Покровская улица (ныне улица Орджоникидзе) выходила к берегу Сысолы и упиралась во входные двери Покровской церкви, что и дало улице ее название.

Строительство таких крупных каменных сооружений было сложной задачей. В Усть-Сысольске не было своих мастеров, поэтому для возведения каменных зданий приглашали специальные бригады каменщиков. На Севере славились своим мастерством каменщики из Великого Устюга, которых и пригласили для строительства усть-сысольских храмов. У устюжских мастеров был свой стиль, сложившийся за десятилетия, который отличался башнеобразными постройками и многоярусным силуэтом зданий, завершающихся изящными главками на тонких шейках. В таком стиле был построен и Троицкий собор.

На фотографии начала XX века изображена Покровская церковь Усть-Сысольска, справа виднеется Троицкая церковь. Над основным прямоугольным зданием с четырехскатной крышей возвышается четверик, на котором один над другим расположены три уменьшающихся граненых барабана, восьмерики, завершающиеся маленькой главкой. Покровская церковь выглядела проще, так как ее строительство велось в два этапа, что исказило первоначальный замысел.

К середине XIX века главные церкви Усть-Сысольска утратили свой прежний нарядный вид. Время не щадило их, и храмы заметно обветшали, требуя ремонта. Полы прогнили до такой степени, что угрожали обвалом алтаря. Однако главная опасность для собора исходила не от гнилых полов. С инженерной точки зрения, местоположение Троицкой и Покровской церквей было выбрано неудачно. Массивные здания давили на мягкий берег реки, который также подмывался подземными ключами, и постепенно «сползали» вниз. Когда-то вход в церковь с Покровской улицы был виден полностью, а к концу XIX века оставалось видно только оконце над дверьми. В стенах появились трещины, которые пытались стянуть железными скобами, разрушались фундаменты.

Из-за угрозы обвала на колокольне было запрещено звонить в большой колокол. Еще в 1840-е годы поднимался вопрос об укреплении берега, но работы, предписанные членами Вологодской строительной комиссии, так и не были выполнены.

Позднее неоднократно предпринимались попытки укрепить берег путем забивания свай, но они оказались безрезультатными. Собор не сохранился до наших дней, в 1930-е годы, в период активной борьбы с религией, он был уничтожен.