Храм был заложен в 1684 году на месте сгоревшей Троицкой деревянной церкви. Средства на его строительство собирали всем миром, но их не хватило для завершения. Горожане решили обратиться к правителям с просьбой о помощи. В 1688 году по указу Иоанна и Петра Алексеевичей и царевны Софьи Алексеевны было выделено 200 рублей из казны, взятых из усольских таможенных и кабацких доходов. Эта значительная сумма позволила завершить строительство и украсить храм. В 1697 году Троицкий собор был освящен.

В память о царском пожертвовании в южную стену храма вставили изразец с изображением двуглавого орла, а на западном фасаде позже выложили из кирпича императорскую корону. Сейчас сохранилась только корона, так как изразец был уничтожен в 1918 году как символ царской власти.

Архитектура храма почти полностью сохранилась, за исключением одного из крылец. Ранее их было три, но теперь на месте южного крыльца осталась лишь дверь. Все остальные элементы, такие как искусно выполненные в кирпиче детали деревянных построек, жучковый орнамент, подвесные гирьки и поливные изразцы, можно увидеть и сегодня. Внутреннее убранство храма, включая иконостасы и настенные росписи, не сохранилось, остались только фотографии 1911 года.

С приходом советской власти храм закрыли, но от разрушения его спасло то, что здание передали музею. В 1929 году в Соликамске общество краеведов создало музей, и после обращения в райисполком он получил Троицкий собор для размещения экспозиций. Через год музей уже демонстрировал историю города к его 500-летию.

Во время Великой Отечественной войны в Троицком соборе хранились эвакуированные ценности музеев Москвы, Ленинграда и южных городов России. Они были спрятаны в ящики, тщательно закрытые и пронумерованные. Никто в Соликамске не знал, что рядом находятся сокровища Русского музея, акварели Лермонтова и театральные ценности музея Бахрушина. Все это скрывали стены собора.