С конца XVI века в письменных источниках упоминается название "Мамадыш". В одном из документов говорится, что в 1605 году Богдан Терехов сын Онучин прибыл на пустошь Мамадыш, привез с собой местных жителей и отделил старожильцев, передав земли в собственность архимандрита Сергия и братии монастыря. Это свидетельствует о том, что в начале XVII века коренное население Мамадыша было выселено, а земли переданы Свияжскому Богородскому монастырю, где новые жители стали монастырскими крестьянами. 3 июля 1613 года была подписана грамота об образовании на месте старой пустоши монастырского села Троицкое-Мамадыш, которое вошло в Казанское воеводство, а затем стало центром Мамадышского уезда в Казанской губернии. Хотя название Троицкое появилось в 1613 году, сведений о православном учреждении в Мамадыше тогда еще не было.

По указу Екатерины II от 28 сентября 1781 года село Мамадыш стало уездным городом Казанского наместничества, а с 1796 года, Казанской губернии. В 1781 году по распоряжению митрополита Вениамина в Мамадыше началось строительство Троицкого Кафедрального Собора на Большой Казанской улице, которая вскоре была переименована в Троицкую. Это была главная торговая улица города, где ежегодно с 7 по 10 июля проходили ярмарки.

Кирпичный трехпрестольный храм строился на средства прихожан. Главный престол был посвящен Живоначальной Троице, а в трапезной находились два придела во имя Николая Чудотворца и Казанской иконы Божией Матери. Храм имел восьмерик на четверике с большой апсидой и шатровую колокольню, равную по высоте главному куполу. Собор был оформлен в стиле барокко. В 1811 году рядом с собором построили часовню, к которой до 1917 года был приписан источник "Святая Чаша", ныне относящийся к храму Ксении Римляныни.

В период борьбы с религией Троицкий храм не избежал разрушений. В марте 1919 года священник Павел Михайлович Михайлов был утоплен в реке Вятке, а бывший священник Александр Миропольский расстрелян. Собор простоял до 1933 года, после чего был разрушен. Улица, на которой он находился, в 1917 году была переименована в "Свободу", а с 1918 года называется Советской.

Вопрос о строительстве нового храма в Мамадыше поднялся в 2000-х годах. По инициативе местных властей и главы администрации Анатолия Иванова, место для нового храма выбрали в историческом центре города на горе Пожарка, рядом с местом разрушенного в 1930-е годы Троицкого собора. Воссоздаваемый храм также посвятили Живоначальной Троице. В июне 2018 года состоялось освящение места для строительства. Новый храм возводится по старинной технологии и достигнет высоты 33 метра, став самым высоким зданием в городе. В конце октября 2019 года прошло освящение и установка куполов на строящийся собор.