В 1838 года настоятельница Николаевского Староторжского монастыря игуменья Таисия приняла решение о возведении каменного храма — собора Святой Троицы. Первоначальный проект здания был разработан членом губернской строительной комиссии инженером Львовым, после чего чертежи, «дабы предать более благовидности и правильности в архитектуре», были существенно переработаны в Комиссии проектов и смет Главного управления путей сообщений и публичных зданий Петербурга. Подрядчиком выступил крестьянин Нижегородской губернии Павел Гурьянович Трухин. Строительство растянулось на двадцать лет, с 1839 по 1859 год. Собор имел три престола, в честь Животворящей Троицы, в честь Покрова Божией Матери и в честь святителя Николая Чудотворца.
В начале 1919 года монастырь был закрыт, а в его зданиях разместился большой детский дом, который существовал на этом месте до 1962 года. В 1936 году Троицкий собор лишился крестов, четырех глав. В его помещении собора была оборудована вторая в городе паросиловая электростанция, которая стала эксплуатироваться с 1939 года. С присоединением Галича к единой государственной энергосистеме эта станция в 1963 году была закрыта, а в здании храма была устроена котельная педучилища. В советское время были разрушены малые главы собора. За советский период здание собора утонуло на несколько метров в хламе и грязи.
В 1990-х годы была начала реставрация собора, в ходе которой были восстановлены малые главы собора. Тем не менее, реставрация не была завершена, а собор не был возвращён церкви. 8 февраля 2017 года осмотрели собор и обсудили ход восстановительных работ подрядчики, приступившие к ремонтным работам, глава Галича и представители городской администрации, духовенство Галичской епархии, сотрудники надзорных организаций. Финансирование работ осуществлялось в рамках проекта «Историческая память». Курирует это направление член Совета Федерации от Костромской области Михаил Козлов.
25 февраля 2017 года в Троицком соборе епископ Галичский и Макарьевский Алексий Елисеев в сослужении благочинного Галичского округа протоиерея Александра Шастина совершил водосвятный молебен на обновление и начало реставрационно-восстановительных работ будущего кафедрального собора Галичской епархии. К тому времени вокруг собора были установлены строительные леса и велись работы по выемке и демонтажу новодельных конструкций, нарушавших исторический облик собора и препятствующих началу реставрационных работ. Финансирование работ было осуществлено по Федеральной целевой программе «Культура России — Историческая Память». В первых числах мая того же года, сразу, как только был закончен отопительный сезон, администрацией города началось отключение и разбор оборудования котельной. Часть этого оборудования находилась в пристройке, примыкавшей к западной стене здания, другая в помещении самого храма. Это не позволяло подрядчикам вести наружные отделочные работы и закончить установку перекрытий между цокольным этажом и главным пространством по всей площади храма. К концу мая демонтаж котельной был завершён и полным ходом развернулись работы внутри храма, на стенах и на кровле.
В июне того же годы начались работы по золочению куполов нитридом титана. К 17 июля были уже позолочены 4 малых купола собора, и велось золочение центрального купола. 31 июля того же года «Галичские известия» писали, «Очищенный от уродливых «наростов» советского времени, буквально выкопанный из грунта, за сотню лет приземлившего строение на несколько метров, он словно воспарил над землей. Он теперь кажется таким огромным, мощным. В центральном пространстве храма столько воздуха и света, что замирает сердце». 9 августа 2017 года на куполах Троицкого собора установили золочёные кресты, четыре малых и один большой, на главный купол, изготовленные в Санкт-Петербурге предприятием ООО «Метал Века» по оригинальным чертежам. После этого начались работы по обустройству внутреннего пространства в Троицком соборе. На поверхности оштукатуренных стен время проступали чёрные смоляные пятна мазута, который в советское время хранился в храме. К августу 2018 года был завершён монтаж оконных и дверных блоков во всех помещениях собора. Все оконные и дверные коробки были выполнены из лиственницы. На окнах установлены решётки.
