Храм был заложен в 1684 году. Сооружали его на месте бывшей Троицкой деревянной церкви, незадолго до того сгоревшей. Деньги на строительство собирали всем миром, но средств на завершение строительства не хватило. На сходе горожане решили бить челом государям. По указу соправителей Иоанна и Петра Алексеевичей и царевны Софьи Алексеевны в 1688 году велено было взять 200 рублей казенных денег «из усольских таможенных и кабацких доходов». По тем временам сумма эта была немалая, ее хватило на достройку храма и на его убранство. В 1697 году Троицкий собор был освящен.
В память о царском пожертвовании в южную стену храма был вставлен изразец с изображением двуглавого орла. А на западном фасаде над окнами позднее выложили из кирпича императорскую корону. Теперь можно увидеть только корону, изразец был уничтожен в 1918 году как символ царской власти.
Архитектура храма сохранилась почти полностью, за исключением одного из крылец. Раньше их было три. Сейчас на месте южного крыльца видна лишь дверь. Все остальное – элементы деревянных построек, искусно воплощенные в кирпиче, кружево жучкового орнамента, подвесные гирьки и поливные изразцы можно и сегодня наблюдать во всей полноте. Чего нельзя сказать о внутреннем убранстве храма. Иконостасы и настенная роспись не сохранились. Остались только фотографии, сделанные в 1911 году.
С приходом советской власти храм был закрыт. От разрушения его спасло то, что здание передали музею. В 1929 году в Соликамске обществом краеведов был создан музей и, по обращении в райисполком, он получил Троицкий собор для размещения своих экспозиций. Через год он уже показывал историю города к его 500-летию.
Во время ВОВ Троицкий собор принял эвакуированные ценности музеев Москвы, Ленинграда, южных городов России. Так и хранились они в храме, спрятанные в ящики, тщательно закрытые и пронумерованные. И никто в Соликамске не знал, что рядом – сокровища Русского музея, акварели Лермонтова, театральные ценности музея Бахрушина. Все скрывали стены собора.
