Первое упоминание о Троицкой церкви в архивных документах относится к 20 марта 1782 года, когда епископ Вятский и Великопермский Лаврентий благословил преобразовать кладбищенскую часовню, стоявшую на территории современного Михайловского собора, в Троицкую церковь. День подписания храмозданной грамоты – 20 марта — можно считать первым днем рождения храма. В 1784 году построили новое деревянное здание церкви. А в 1810 году случился большой пожар, уничтоживший многие строения в нагорной части заводского поселка. Сгорела и кладбищенская церковь. После пожара заводское кладбище перенесли за восточную границу поселка. Это место в те времена считалось очень отдаленным — на расстоянии нескольких сотен метров от нового кладбища находилась уже другая деревня.
В 1814 году по проекту архитектора Семена Емельяновича Дудина за счет казны выстроили каменный кладбищенский храм в классическом стиле, и в ноябре того же года его освятили во имя Святой Троицы. На этом кладбище хоронили мастеровых, чиновников, купцов. Здесь упокоился и сам С.Е. Дудин. Архитектурные достоинства новосозданной Троицкой церкви были отмечены московским журналом «Вестник Европы» в 1817 году.
В 1852-1857 годах к храму была пристроена низкая колокольня по проекту архитектора И.Т. Коковихина. В 1912-1914 годах, к столетию церкви, по проекту губернского архитектора И.А. Чарушина, известного как автора проекта собора Михаила Архангела, была построена трехъярусная колокольня.
Троицкая церковь, ее духовенство и прихожане принимали активное участие в нуждах народа России. Так, во время страшного голода в 1922 году, в праздник Рождества Христова в храмах Ижевска по инициативе духовенства был произведён сбор в пользу голодающих. Только в Троицкой церкви было собрано 82 650 руб.
В конце 1937 года было арестовано всё духовенство, служившее в тот момент в Троицком соборе Ижевска, после чего собор был закрыт. Сначала 11 сентября арестовали священника собора Трофима Михайловича Стерхова и 2 ноября приговорили к расстрелу. Затем 27 октября арестовали игумена Иакова Башкова, 5 ноября его приговорили к высшей мере и 29 ноября расстреляли. 17 декабря были арестованы и 24 декабря Тройкой НКВД УАССР были приговорены: настоятель Троицкого собора протоиерей Андрей Викторович Волков и протодиакон Стефан Ажгихин – к высшей мере; священник Димитрий Ипполитович Замятин – к 10 годам лагерей, умер в лагере 17 апреля 1938 года.
В 1938 году в течение восьми месяцев продолжалась борьба прихожан против решения городских властей о закрытии и сносе храма. Это постановление ЦИК УАССР было принято 3 февраля. На месте Нагорного кладбища и храма Святой Троицы планировалось построить стадион «Зенит» и разбить парк. Уже 9 февраля, узнав об этом, прихожане написали заявление в Горсовет Ижевска «от общины верующих Ижевского Троицкого собора с просьбой повременить с закрытием собора до ответа из Всесоюзного ЦИКа», куда они отправили ходатайство о сохранении храма за церковной общиной. ВЦИК СССР, возглавляемый в то время М.И. Калининым, действительно приостановил процесс закрытия храма. Москва потребовала от местной власти гарантий того, что при строительстве стадиона и парка не будут разрушены захоронения на кладбище, и настаивала на доработке проекта и полном его экономическом обосновании. Центр не поддержал намерение удмуртских руководителей снести храм, поскольку в Ижевске на весь город оставалась действующей только маленькая Успенская церковь, которая не могла вместить всех городских прихожан. Местные власти написали в Москву, что все коммуникации стадиона «Зенит» будут прокладываться в проходах между могилами с сохранением дернового слоя, да и водопровод предполагался только летний, прокладка которого не требует земляных работ.
Через три месяца, 22 апреля, Президиум ЦИК УАССР предложил Ижевскому Горсовету «впредь до окончательного рассмотрения жалобы Церковного совета во ВЦИКе здание церкви оставить в пользовании верующих». В итоге этой борьбы ижевские власти смогли закрыть храм Святой Троицы только через восемь месяцев после принятого решения, т.е. 3 октября 1938 года. А главным результатом сопротивления церковного причта и прихожан стал тот факт, что запланированный снос храма так и не состоялся. Горсовет ходатайствовал об открытии в здании церкви читальни ГОРОНО. Документов об использовании храма городскими властями в нашем распоряжении нет. По воспоминаниям старейшей прихожанки Зои Григорьевны Макаровой, проработавшей в Троицкой церкви двадцать лет, во время войны в церковном здании работала пекарня. В октябре 1945 года храм Святой Троицы вновь возвратили церковной общине. Он стоял обезглавленный, с уничтоженным внутренним убранством, требовался капитальный ремонт всего здания. Для церковных людей стал удивительным тот факт, что в приобретении стройматериалов большую помощь им оказал уполномоченный М.А. Родин.
Первое богослужение состоялось 17 марта 1946 года в приделе св. великомученицы Екатерины, а освящение главного престола провели 12 сентября 1946 года. С момента, когда храм Святой Троицы открыли вновь, и до 1994 года он служил кафедральным собором Ижевской епархии. Сначала епархией управлял по совместительству епископ Вятский и Слободской Вениамин Тихоницкий. После него на Ижевскую кафедру был назначен архиепископ Иоанн Братолюбов, которого 9 февраля 1943 года досрочно освободили из Ураллага, но вскоре его перевели в Уфу. Начиная с 3 января 1946 года и почти до конца 1947 года епархией руководил епископ Николай Чуфаровский. С 1949 года настоятелем собора был протоиерей Владимир Стефанов. С февраля 1963 года – настоятель протоиерей Александр Щербаков, активный проповедник, имеющий семинарское и высшее медицинское образование. В мае этого года он был снят с настоятельства по распоряжению уполномоченного по делам религий. Его сменяет священник Александр Чунтомов, тоже яркий проповедник и миссионер. С 1968 года настоятелем Троицкого собора являлся протоиерей Сергий Митрюковский, в последующем епископ Казанский и Марийский Пантелеимон, управляющий Ижевской епархией. В 1958 году в южном приделе храма был захоронен архиепископ Ижевский и Удмуртский Ювеналий, в миру Иоанн Кельсиевич Килин, в схиме Иоанн, с 1952 года по 1958 год возглавлявший Ижевскую епархию.
Сегодняшний облик Собора стал складываться в 1985-1991 годах, когда по проекту архитектора С.А. Макарова была выстроена одноярусная колокольня, сделаны двухэтажные пристройки с северной и южной сторон собора, построен крестильный храм, освященный в честь святого Пророка, Предтечи и Крестителя Господня Иоанна. Собор имел три придела: главный алтарь освящен в честь Святой Троицы, северный придел – в честь святого великомученика Пантелеимона, южный – в честь великомученицы Екатерины.
В 2000 году на территории Собора Святой Троицы выстроен новый храм в честь великомученика и целителя Пантелеимона. 13 мая 2018 года митрополит Ижевский и Удмуртский Викторин посетил Свято-Троицкий собор г. Ижевска. Владыка совершил чин освящения воссозданного придела в честь святой великомученицы Екатерины и совершил в нем Божественную литургию.
13 мая 2018 года на территории Собора у памятной плиты было совершено перезахоронение, а 16 мая — отпевание останков около 2,5 тыс. человек, некогда погребенных на поруганном Троицком кладбище.
С 2000 года до настоящего времени собор еще более благоукрасился. Облагорожена внутренняя территория собора, разбиты и оформлены газоны, устроен небольшой водоем с фонтаном и альпийской горкой для отдыха прихожан с детьми.
