Собор был построен в 1832 году в честь победы русской армии над войсками Наполеона. Над созданием проекта храма работал архитектор Осип Иванович Бове.

Троицкий собор относится к архитектурным памятникам стиля ампир. Стены собора сложены из кирпича; цоколь, колонны и элементы декора фасадов белокаменные. Стены внутри украшены масляной живописью.

В 1866 г. в Подольске и уезде свирепствовала холера. По благословению митрополита Московского и Коломенского Филарета (Дроздова) из Бронниц была принесена Иерусалимская икона Божией Матери. Подольчане горячо молились Пресвятой Богородице перед этим образом, и страшная эпидемия прекратилась. В 1868 г. для Троицкого собора был изготовлен список с иконы, который сохранился до наших дней.

С 1930 г. собор Святой Троицы стал единственным действующим в Подольске храмом.

За последние несколько лет в Троицком соборе было проведено множество восстановительных работ: обновлена позолота всех иконостасов и киотов, отреставрированы иконы, промыта настенная живопись; на колокольне размещены новые колокола; вызолочены все купола и главки.