Церковь была возведена в период с 1831 по 1836 годы на средства купцов Михаила и Прохора Сарычевых. Помимо главного престола, здесь также находились престолы Архистратига Михаила и святых благоверных князей Бориса и Глеба. До 1870 года церковь имела статус приписной, а при архиепископе Владимирском и Суздальском Антонии она была переименована в городской собор.

В 1950-х годах XX века собор утратил колокольню и пятиглавие, после чего его здание было перестроено и стало Домом культуры. В наше время у стен собора установлен памятный крест. В 2006 году была образована новая община прихода Свято-Троицкого, и началась работа по возвращению собора в состав Русской Православной Церкви.