Вельский Троицкий собор, имеющий три престола, был построен в середине XVIII века и позже несколько раз перестраивался в стиле классицизма начала XIX века. Архитектурно это был двусветный четверик с двумя апсидами в алтаре, завершённый декоративным пятиглавием, трапезной и трёхъярусной колокольней со шпилем. Престолы были освящены в честь Святой Троицы, иконы Божией Матери «Толгская», святителей Афанасия Великого и Иоанна Милостивого.

Среди церковных реликвий упоминалось рукописное Евангелие, подаренное в 1557 году Николаевской церкви Василием Парфеньевым. Вторая соборная церковь, Преображенская Вельская, была построена в 1913 году. Её престолы посвящены Преображению Господню, архидиакону Стефану и преподобному Серафиму Саровскому.

К собору относились три храма: Успенская кладбищенская церковь, построенная в 1795-1802 годах и сохранившаяся до наших дней; Николаевская кладбищенская церковь, возведённая в 1908 году и ныне утраченная; а также Покровская церковь, построенная в 1898 году в деревне Овсяниковская Усть-Вельской волости (ныне село Покровское).

Троицкий собор был закрыт в 1930-х годах, а к 1950-м полностью разрушен. Сейчас на его месте находится здание бывшего райкома, в котором сейчас расположена прокуратура, и проходит проезжая часть.