Троицкий храм, расположенный на месте нынешнего собора, впервые упоминается в начале XVII века. Это место, бывший кремль, является центральным в жизни города. Современный собор стоит здесь около 200 лет, но история деревянных и каменных Троицких храмов, которые находились на этом месте, насчитывает столько же.

В 1610 году в Калуге Лжедмитрий II погиб от рук одного из своих приближённых. В связи с его похоронами впервые упоминается деревянный Троицкий храм. Через восемь лет запорожцы под предводительством Сагайдачного захватили и разорили Калугу, и храм сгорел в пожаре. Его вскоре восстановили.

В 1626 году храм описывается как деревянный, с двумя шатрами и приделом Иоанна Богослова. В 1687 году на месте старого деревянного храма был построен каменный на средства вдовы боярина С. Т. Хитрово Анны Петровны, в память о государе Фёдоре Алексеевиче. Этот храм простоял сто лет и обветшал. В 1786 году началось строительство нового собора, которое длилось 33 года. Екатерина II выделила первую сумму на строительство, а освящён собор был при её внуке Александре I, после Отечественной войны. Старый собор разбирали, и его материалы использовали для нового, но службы продолжались до 1799 года.

Проект собора разработал губернский архитектор Иван Денисович Ясныгин, ученик Казакова. Архитектура собора проста и лаконична, но конструкция уникальна благодаря первому в России большому безопорному куполу. Внешний диаметр купола составляет 20 метров, внутренний, почти 17 метров. В те же годы строился Казанский собор в Санкт-Петербурге с куполом диаметром 15 метров. Оба собора были завершены в 1811 году, но в калужском соборе отделочные работы прервались из-за войны 1812 года. Освящение состоялось 10 апреля 1819 года. Внутренняя высота собора составляет 36 метров, а колокольня, 70 метров. Это был самый большой собор в регионе.

В XIX веке Троицкий храм был для калужан тем же, чем Храм Христа Спасителя для москвичей, и являлся памятником победы 1812 года. В нём хранились знамёна калужского ополчения и знамя Азовского пехотного полка. Внутри был установлен 8-метровый иконостас архитектора М.Ф. Казакова, единственный известный в России.

В советское время храм был разорён, и иконостас утерян. В 1924 году собор закрыли и переоборудовали под Дом обороны. Здесь находились кружки Осоавиахима, школа ПВХО, кинотеатр и даже зверинец. Осенью 1941 года, при отступлении Красной Армии, было решено взорвать собор, но начальник школы ПВХО заменил взрыв на поджог. Храм выгорел внутри, но устоял. С 1960-х годов в нём размещалась спортивная школа. 23 августа 1991 года Троицкий собор был возвращён Русской Православной Церкви.

В 2000 году на колокольне установили колокола, главный из которых весит 5100 кг.