Вельский Троицкий собор с тремя престолами возведён в середине XVIII века, после чего несколько раз перестраивался в формах классицизма начала XIX столетия. Архитектура представляет собой двусветный четверик с двухапсидным алтарём, завершавшийся декоративным пятиглавием с трапезной и трёхъярусной колокольней под шпилем. Престолы освящены в честь Святой Троицы, иконы Божией матери «Толгская», святителей Афанасия Великого и Иоанна Милостивого.
Среди церковных древностей упоминалось рукописное Евангелие, принесённое в 1557 г. в дар Николаевской церкви Василием Парфеньевым. Преображенская Вельская церковь – вторая соборная церковь, построенная в 1913 г. Престолы Преображения Господня, архидиакона Стефана, преп. Серафима Саровского.
К собору были приписаны три храма: Успенская кладбищенская церковь, построенная в 1795-1802 годах и сохранившаяся до наших дней; вторая кладбищенская церковь — Николаевская, возведённая в 1908 году, ныне утраченная, а также Покровская 1898 года постройки в деревне Овсяниковская Усть-Вельской волости (сейчас — село Покровское).
Троицкий собор закрыт в 1930-ых годах, а к 1950-ым полностью разрушен. В настоящее время на месте собора стоит здание бывшего райкома (ныне там находится прокуратура) и пролегает проезжая часть.
