Первое упоминание о Троицкой церкви в архивных документах датируется 20 марта 1782 года, когда епископ Вятский и Великопермский Лаврентий дал благословение на преобразование кладбищенской часовни, расположенной на месте современного Михайловского собора, в Троицкую церковь. Этот день можно считать днем рождения храма. В 1784 году было построено новое деревянное здание церкви. Однако в 1810 году пожар уничтожил многие постройки в нагорной части поселка, включая кладбищенскую церковь. После этого кладбище перенесли за восточную границу поселка, в отдаленное место, рядом с другой деревней.

В 1814 году по проекту архитектора Семена Емельяновича Дудина на средства казны был построен каменный храм в классическом стиле, освященный в ноябре того же года во имя Святой Троицы. Здесь хоронили мастеровых, чиновников и купцов, и сам Дудин нашел здесь покой. Архитектурные достоинства церкви были отмечены в московском журнале «Вестник Европы» в 1817 году.

В период с 1852 по 1857 годы к храму была пристроена колокольня по проекту архитектора И.Т. Коковихина. В 1912-1914 годах, к столетию церкви, по проекту губернского архитектора И.А. Чарушина была возведена трехъярусная колокольня.

Троицкая церковь и ее прихожане активно помогали нуждающимся. Например, в 1922 году, во время голода, в праздник Рождества Христова в храмах Ижевска был организован сбор средств для голодающих, и только в Троицкой церкви было собрано 82 650 рублей.

В конце 1937 года все духовенство Троицкого собора в Ижевске было арестовано, и собор закрыли. Священник Трофим Михайлович Стерхов был арестован 11 сентября и приговорен к расстрелу 2 ноября. Игумен Иаков Башков был арестован 27 октября, приговорен к высшей мере 5 ноября и расстрелян 29 ноября. 17 декабря арестовали настоятеля протоиерея Андрея Викторовича Волкова и протодиакона Стефана Ажгихина, которых 24 декабря приговорили к высшей мере, а священник Димитрий Ипполитович Замятин получил 10 лет лагерей и умер в лагере 17 апреля 1938 года.

В 1938 году прихожане боролись против решения властей о закрытии и сносе храма. Постановление о сносе было принято 3 февраля, но благодаря ходатайству в Москву процесс закрытия был приостановлен. Власти обещали, что строительство стадиона и парка не затронет захоронения. В итоге храм закрыли только 3 октября 1938 года, но снос так и не состоялся. Во время войны в здании церкви работала пекарня. В октябре 1945 года храм вернули общине, и он требовал капитального ремонта. Первое богослужение прошло 17 марта 1946 года, а освящение главного престола состоялось 12 сентября 1946 года. До 1994 года храм служил кафедральным собором Ижевской епархии.

С 1985 по 1991 годы по проекту архитектора С.А. Макарова была построена одноярусная колокольня и пристройки, а также крестильный храм. В 2000 году на территории собора был построен новый храм в честь великомученика Пантелеимона. 13 мая 2018 года митрополит Викторин освятил воссозданный придел в честь святой великомученицы Екатерины. В этот же день состоялось перезахоронение останков около 2,5 тысяч человек, ранее погребенных на Троицком кладбище.

С 2000 года собор продолжает благоукрашаться: облагорожена внутренняя территория, разбиты газоны, устроен водоем с фонтаном и альпийской горкой для отдыха прихожан.