В конце XV, начале XVI веков в новой Александровской слободе была построена загородная резиденция Великого Князя Московского Василия Иоанновича. Центральным элементом великокняжеского двора стал Покровский собор, который по величине уступал только Успенскому и Архангельскому соборам Московского Кремля. Дата освящения собора зафиксирована в богослужебном сборнике XVI века из библиотеки Троице-Сергиевой Лавры: «Лета 1513 декабря 11 священа бысть церковь Покров Святей Богородицы в новом селе в Олександровском, тогды ж князь Великий и во двор вшел».

Архитектура храма была вдохновлена главным храмом Троице-Сергиева монастыря, посвященным Святой Троице. Кирпичная кладка стен и сводов Покровского собора эффектно контрастировала с белокаменной кладкой столбов, порталов и архитектурного декора. Украшения и орнаменты храма представляют собой пример сочетания итальянского декора и раннемосковской белокаменной резьбы XV века. В начале XVII века шведский дипломат Петр Петрей де Ерлезунда описывал Покровскую церковь как украшенную разноцветными камнями, что создавало красивый вид для проезжающих.

Внутреннее убранство храма включало фрески XVI века и царские трофеи, врата XIV века из Новгородского и Тверского соборов. Первоначальный иконостас представлял собой каменную алтарную преграду с фресками и иконами. Главный престол был освящен в честь Покрова Божией Матери. В северной части галереи был придел в честь Сергия Радонежского, в южной, Николая Чудотворца. Под алтарем находилась крипта для захоронений.

В XVII веке причт Покровского собора состоял из протопопа, двух попов, диакона, двух пономарей, трех сторожей и просвирницы. Они получали жалование из царской казны. С 1672 года выплаты производились в Александровой слободе без московской волокиты. Священнослужители также получали зерно, сукно и церковные принадлежности. Протопоп собора был старшим над священниками окрестных селений.

В Покровском храме молился Великий Князь Василий III, а также цари Иоанн IV, Михаил Феодорович и Алексей Михайлович. В 1682 году собор перешел в ведение Успенского монастыря и был переосвящен в честь Пресвятой Троицы. Службы вели монастырские священники, а просфоры пекли монахини.

В 1687 году к приезду царя Петра Алексеевича в Троицком соборе установили новый иконостас. В XVIII-XIX веках в соборе проводились ремонтные работы. В 1922 году из собора изъяли церковные ценности, а в 1923 году он был передан музею. В 1946 году богослужения возобновились, и собор стал единственным действующим храмом в районе. В 1992 году с открытием монастыря богослужения возобновились по монастырскому уставу. В 2010 году был воссоздан пятиярусный иконостас.