Первоначально в 1754 году на месте нынешнего храма была построена деревянная церковь для гвардейского Измайловского полка. Закладка строящейся церкви была сделана 1 июля 1754 г. Архиепископом Силивестром, им же и освящена церковь 1 июня 1756 года. Главный придел церкви освящен во имя Святой Троицы, второй во имя Святого Иоанна Воина. За семьдесят лет здание сильно обветшало, особенно сильно пострадало оно в наводнение 1824 года. Вместо него в 1828 – 1835 годах на личные средства Николая I, в память командования им Измайловским полком, был построен монументальный (общая высота около 80 метров) каменный пятикупольный храм. 13 мая 1828 года состоялась торжественная закладка храма. Храм строился 7 лет. Под капитальный фундамент храма шириною и глубиною в 3 аршина забито 5500 свай. Набивка свай, с соизволения Государя, сделана чинами 3 батальона, с платою им по вольной цене. В 1830 году стены храма довели до куполов, в 1832 году закончили купола и поставили кресты. Постройка храма уже близилась к окончанию, как 23 февраля 1834 г. страшною бурею повредило главный купол и снесло с него крест. Купол был укреплен на железных скреплениях. К 1835 году храм был вполне готов. Его автор В. П. Стасов в своем творении стремился сочетать формы классицизма с традиционными приемами русского зодчества. В соответствии с пожеланиями духовенства, зодчий положил в основу плана собора греческий равноконечный крест. Необычно были расставлены им вокруг главного купола и малые купола: не диагонально, а над рукавами креста, по странам света. Голубые купола, усеянные золотыми звездами тесно сдвинуты, благодаря чему издали их силуэт воспринимается как одно целое.

Великолепный скульптурный фриз украшает здание; портики из коринфских колонн, чугунные треножники на балюстрадах придают зданию нарядность и пышность. Скульптуры ангелов в нишах изваял скульптор С. И. Гальберг.

Освящение храма состоялось 25 мая 1835 года. В этот день рано поутру раздался колокольный звон к водоосвящению, а в половине пятого начато было освящение придела Иоанна Воина, совершенное архимандритом Нилом. В половине восьмого началось освящение южного придела во имя Святой Марии Магдалины, которое совершал архимандрит Феодотий. В 10 часов началось освящение главного придела Святой Троицы, совершенное Митрополитом Московским Филаретом соборне с наместником лавры архимандритом Палладием и инспектором академии архимандритом Платоном. В 7 часов вечера Император с Императрицей и Наследником, возвратившись из Москвы, осмотрели церковь в подробностях, при чем Государь изъявил свое благоволение архитектору Стасову в самых милостивых выражениях. Постройка Троицкого собора оценивалась современниками как крупное достижение отечественного зодчества.

Троице-Измайловский собор представляет собой огромное пятикупольное здание с четырьмя белыми коринфского ордера портиками и вмещает более 3 000 человек. Его голубой купол, в прошлом усыпанный золотыми звездами, виден за 20 км от города. Главный купол собора – второй по величине деревянный купол в Европе – создан в 1834 году великими инженерами-строителями П. П. Мельниковым и П. П. Базеном.

Этот просторный величественный храм являлся главной гарнизонной церковью Санкт-Петербурга. В 1836 году в стены собора были вмонтированы памятные мраморные доски с именами офицеров Измайловского полка, погибших в сражениях при Аустерлице, Фридланде, Бородине и Кульме. Здесь же в соборе хранились знамена полка и ключи от крепостей Карса, Баязета, Лемотика, Никополя, Адрианополя и других городов, а также трофеи военных кампаний 1854, 1877 – 1878 годов.

Интерьер собора просторный, светлый. 24 стройные коринфские колонны легко "поднимают вверх" барабан главного купола, словно парящего в воздухе и отделанного кессонами с розетками. Внутренние колонны и пилястры одеты в белый мрамор (колонны внутри храма, по первоначальной смете, предположено было по обыкновенной штукатурке, покрыть белой клеевой краской, но полк исходатайствовал разрешение облицевать колонны под белый мрамор). Малые купола, расписанные золотыми звездами по голубому фону, создают дополнительные подкупольные интерьеры, в одном из которых находится резной иконостас. Он был сооружен в виде закругленной стены и ныне, увы, частично погублен. Сень над престолом решена в виде полуротонды из четырёх колонн и составляет единую композицию с резным деревянным иконостасом. К святыням храма принадлежали иконы XVII века и образ Спасителя, писанный для первой деревянной церкви. Иконостасы собора работал купец Тарасов. Образа в главный иконостас и по одному престольному образу в приделе писали известные тогда художники: Иванов, Майков, Егоров. Когда иконы были поставлены на места, Государь посетил храм и, как видно из отношения Министра Двора к оберсвяшеннику, остался весьма недоволен иконами главного иконостаса и приказал: иконы возвратить художникам, вместо же оных написать новые. Замена образов другими продолжалась уже после освящения церкви. Так, образ Благовещения для царских врат написан Майковым уже в декабре 1835 года. Собор может вмещать до 3 тысяч человек.

В Троицком Соборе было множество икон знаменитых русских мастеров. Напротив главного фасада в 1886 году по проекту архитектора Д. И. Гримма была установлена колонна из чугуна в честь победы в русско-турецкой войне 1877 – 1878 годов. Колонна высотой 18 метров была отлита из 140 стволов трофейных пушек. Колонну венчала крылатая фигура Победы с венком и пальмовой ветвью в руках. Полукругом у памятника поставлены на лафетах 10 пушек, также отбитых у неприятеля. На семиметровом пьедестале памятника, выполненном из мелкозернистого гранита, находились бронзовые доски с выбитыми на них наименованиями войсковых частей, участвовавших в войне. Общая высота памятника составляла около 30 метров. После революции памятник был демонтирован и отправлен на переплавку.

По благословению Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Алексия II и распоряжением Администрации С.-Петербурга принято решение о воссоздании памятника "Воинская Слава" как символа национальной гордости и доблести Русской армии. Благотворительным фондом Измайловского собора разработана проектно-сметная техническая документация, заключен договор с Новолипецким металлургическим комбинатом, на котором была выполнена отливка конструктивных элементов колонны Славы, произведено обследование фундамента. С апреля 2003 года начались работы по воссозданию колонны и по ландшафтной планировке окружающей территории.

Установка памятника была завершена к исторической дате его освящения - 25 октября (в этот день в 1886 году была освящена колонна Славы).

Страницы истории храма свидетельствуют, что поэт Державин и его семейство были одни из самых усердных прихожан храма. В 1867 году, 15 февраля, в Соборе венчался писатель Ф. М. Достоевский с А. Г. Сниткиной, 6 ноября 1894 года здесь отпевали русского композитора А. Рубинштейна.

В 1938 году собор был закрыт и постепенно пришел в запустение от использования его подвалов в качестве овощехранилища и, особенно, – в годы блокады Ленинграда. Обширные восстановительные работы по фасадам здания были проведены после войны и были завершены в 1960-х годах. Внутреннее убранство от бесконечной перемены пользователей, не делавших ничего для его сохранения, пришло в полный упадок. Долгое время здание было складским помещением, не отапливалось и постепенно приходило в ветхость, несмотря на толстые стены. К настоящему времени из всего богатейшего имущества (многое было уникальным и бесценным по своим художественным данным) остались только стены храма. В 1990 году здание было возвращено Церкви и в нем возобновлены богослужения. В 2003 г. была начата реставрация здания.

Но 25 августа 2006 г. произошел пожар, полностью уничтоживший главный купол и частично - два малых купола храма. К счастью, выдержали натиск стихии своды барабана центрального купола, что спасло от полной гибели внутренний интерьер храма.

В 1969 году перед Троицким собором был воздвигнут памятник автору проекта храма В. П. Стасову – работа скульптора М. Т. Литовченко.

Почти напротив храма, на углу Измайловского проспекта и 1-й Красноармейской улицы расположена хороших пропорций часовня, выдержанная в стиле самого храма. Она сооружена в 1894 – 1895 годах архитектором С. П. Кондратьевым в память двух чудесных избавлении от смерти: спасения Александра III и императорской семьи во время крушения поезда в Борках, вблизи Харькова, в 1888 году и спасения будущего Императора Николая II в Японии. Можно без преувеличения сказать, что часовня и по архитектуре, и по внутреннему убранству, по высокохудожественному образу Христа Спасителя, выполненному из цветных стекол (витрин) в окне часовни, - одна из первых не только в Петербурге, но и во всей России. В 1924 году часовня была закрыта и долгое время использовалась не по своему назначению. В 1999 году она была восстановлена. Вновь засияли золотые звезды на ее голубом куполе, в часовне открылась православная иконная лавка.