В 1838 году настоятельница Николаевского Староторжского монастыря, игуменья Таисия, решила построить каменный храм, собор Святой Троицы. Первоначальный проект разработал инженер Львов, член губернской строительной комиссии. Затем чертежи были значительно переработаны в Комиссии проектов и смет Главного управления путей сообщений и публичных зданий Петербурга для улучшения архитектуры. Подрядчиком стал крестьянин из Нижегородской губернии Павел Гурьянович Трухин. Строительство длилось с 1839 по 1859 год. Собор имел три престола: в честь Животворящей Троицы, Покрова Божией Матери и святителя Николая Чудотворца.

В начале 1919 года монастырь закрыли, и в его зданиях разместили детский дом, который существовал до 1962 года. В 1936 году собор лишился крестов и четырех глав. В его помещении разместили вторую в городе паросиловую электростанцию, которая работала с 1939 года. После присоединения Галича к государственной энергосистеме в 1963 году станцию закрыли, а в здании собора устроили котельную педучилища. В советское время малые главы собора были разрушены, а само здание оказалось погребено под мусором и грязью.

В 1990-х годах началась реставрация собора, в ходе которой восстановили малые главы, но работы не завершили, и собор не вернули церкви. 8 февраля 2017 года собор осмотрели подрядчики, представители городской администрации и духовенство, чтобы обсудить восстановительные работы. Финансирование осуществлялось в рамках проекта «Историческая память», курируемого Михаилом Козловым, членом Совета Федерации от Костромской области.

25 февраля 2017 года в соборе епископ Галичский и Макарьевский Алексий Елисеев провел водосвятный молебен на обновление и начало реставрации. К тому времени вокруг собора установили строительные леса и начали демонтаж новодельных конструкций, мешавших реставрации. Работы финансировались по Федеральной целевой программе «Культура России, Историческая Память». В начале мая, после завершения отопительного сезона, начался демонтаж котельной, что позволило подрядчикам продолжить отделочные работы и установить перекрытия. К концу мая демонтаж завершили, и работы внутри собора продолжились.

В июне началось золочение куполов нитридом титана. К 17 июля были позолочены четыре малых купола, а затем и центральный. 31 июля «Галичские известия» отметили, что собор, очищенный от советских «наростов» и поднятый из грунта, стал казаться огромным и светлым. 9 августа 2017 года на куполах установили золочёные кресты, изготовленные в Санкт-Петербурге. После этого начались работы по обустройству внутреннего пространства собора. На стенах проявлялись пятна мазута, оставшегося с советских времён. К августу 2018 года завершили монтаж оконных и дверных блоков из лиственницы, а на окнах установили решётки.