Собор построен на месте старинной Свято-Троицкой часовни XVIII века. Эта часовня была старообрядческой. В июне 1842 года часовню освятили в качестве единоверческой, после чего началось строительство каменного храма. Главный, Троицкий престол, освятили в 1885 году. В 1934 году храм закрыли, а в 1991 году его вернули Церкви. 5 июля 1992 года Троицкий храм был вновь освящён.

22–26 сентября 2000 года состоялся первый в истории визит на Уральскую землю Патриарха Московского и всея Руси Алексия II. Патриарший визит в Нижний Тагил начался с посещения Свято-Троицкого храма. В марте 2012 года с образованием Нижнетагильской и Серовской епархии Троицкому храму был придан статус кафедрального собора.