Собор во имя Святой Живоначальной Троицы являлся одним из старейших храмов С.-Петербурга. Место для закладки церкви «в знак благодарения Триединому Божеству» было выбрано Петром I в мае 1703 г. неподалеку от строящейся Санкт-Петербургской крепости на правом берегу реки Невы. Фактическое строительство храма началось в апреле 1709 г. после повторного царского указа о сооружении церкви. Строилась по проекту архитектора Д.Трезини. Окончательно построена и освящена в 1711 году в честь Святой Живоначальной Троицы. Представляла собой небольшую деревянную крестообразную в плане постройку, покрытую двускатной крышей.

В связи с началом перестройки Петропавловского крепостного собора в 1714 году Троицкая церковь некоторое время исполняла функции главного кафедрального храма города: в ней проводились все торжественные богослужения в присутствии царя и царской семьи, с крыльца церкви объявлялись царские указы, перед храмом устраивались смотры и парады войск, гулянья и маскарады. Размеры храма больше не соответствовали его статусу, поэтому в том же году он был значительно расширен: с северной и южной стороны к нему были пристроены небольшие приделы, с западной – обширная трапезная, над которой надстроили двухъярусную колокольню с курантами, снятыми с московской Сухаревой башни. Сохранил статус собора и после освящения нового Петропавловского собора в 1733 году.

Являлся любимым храмом Петра I, царь бывал в нем два-три раза в неделю, читал Апостол и пел на клиросе. Здесь отмечались полтавские годовщины и заключение Ништадтского мира в 1721 году, когда Петру был поднесен титул императора. В храме хранились богослужебные книги и предметы церковной утвари, подаренные императором или изготовленные им лично.

В 1721 году освящен придел во имя преподобного Харитона Исповедника, где поставили походную церковь Петра I, устроенную в память победы при Лесной 28 сентября 1708 г. В 1721–1727 гг. в нем находилась чудотворная икона Казанской Божией Матери, перенесенная из упраздненного храма Рождества Пресвятой Богородицы в Посадских слободах (позднее передана в Рождественскую церковь на Невском пр.).

В связи с ветхим состоянием Троицкого собора в январе 1732 г. последовал указ императрицы Анны Иоанновны о возведении нового каменного храма на месте старого. Проекты нового храма исполнили архитекторы П.М.Еропкин и М.Г.Земцов, но они не были осуществлены, а приготовленные строительные материалы пошли на Зимний дворец. В апреле 1743 г. по указанию императрицы Елизаветы Петровны обветшавшую деревянную постройку разобрали и на старом фундаменте возвели новую, полностью воспроизводившую прежнюю. Работы вел «разных художеств мастер» Харман ван Болос (Болес) под руководством архитектора И.И.Сляднева. В июне 1745 г. освятили придел прп. Харитона, в мае 1746 г. в присутствии императрицы – главный придел – Св. Живоначальной Троицы. Часть икон в храме – из прежнего иконостаса, часть написана живописцами И.Я.Вишняковым и М.Л.Колокольниковым.

27 марта 1750 г. собор сгорел дотла. Удалось спасти лишь иконостас из придела прп. Харитона, петровские реликвии и часть церковной утвари. Работы по восстановлению храма велись в 1754–1756 гг. по проекту архитектора С.А.Волкова. Для постройки использовалась разобранная деревянная церковь, предназначавшаяся для третьего Летнего дворца (на месте Инженерного замка). 1 июня 1756 г. освящен главный и единственный придел Святой Живоначальной Троицы. Придел прп. Харитона Исповедника был перенесен в церковь Святейшего Синода.

К собору была приписана часовня Христа Спасителя с почитаемой одноименной иконой, размещавшаяся в Домике Петра I с середины XVIII в. В 1775–1776 гг. рядом с храмом на средства осташковского купца Аленникова построена каменная с колокольней церковь во имя преподобного Нила Столбенского. Освящена в октябре 1776 г. Была приписана к собору, причт которого отправлял в ней богослужения в зимнее время. В связи с ветхостью соборной колокольни оттуда на колокольню церкви прп. Нила были перенесены колокола. Церковь просуществовала до 1809 года, когда сгорела и была упразднена.

В 1794 году к Троицкому собору приписана церковь Воздвижения Честного Животворящего Креста Господня (Николо-Труниловская) со своим приходом. Самостоятельный причт церкви был упразднен, службы отправляли священнослужители Троицкого собора. Оставалась приписной до 1904 года, когда вновь стала самостоятельной приходской церковью.

В 1802–1805 гг. под руководством архитектора Л.Руска Троицкий храм капитально ремонтировался и был переделан в теплый. В 1825 году под руководством архитектора П.С.Филиппова устранялись повреждения, причиненные наводнением 1824 года.

К 1869 году здание собора сильно обветшало и совершать в нем богослужения стало небезопасно. Необходимую сумму на ремонт распорядился выделить император Александр II. В 1875–1876 гг. под руководством архитектора Е.Е.Аникина произведен капитальный ремонт собора, под постройку подведен новый фундамент, храм обнесен железной оградой с двумя встроенными в нее по углам деревянными часовнями. Дополнительные образа для храма написал академик А.Е.Бейдеман. В декабре 1876 г. обновленное здание собора вновь освящено. В 1908 году в храме устроен второй придел в честь преподобного Нила Столбенского.

С 1873 года при соборе действовало благотворительное «Приходское общество вспомоществования бедным», которое заботилось о призрении престарелых, малолетних сирот, предоставлении приюта детям бедных родителей. Долгое время его возглавлял писатель Н.С.Лейкин. Общество содержало богадельню и ясли выдавало семьям и престарелым единовременные пособия, при нем действовала бесплатная столовая.

В ночь на 7 февраля 1913 г. собор сильно пострадал от пожара: сгорели купол, крыша, чердак, притвор и колокольня. Сохранилась лишь алтарная часть. В сильном огне оплавились колокола. Осмотрев пожарище, известные зодчие Л.Бенуа, В.Суслов и др. высказали свое мнение о нецелесообразности восстановления прежнего здания храма. Через две недели Синод начал сбор средств на сооружение нового храма. Был создан Строительный комитет во главе с великим князем Иоанном Константиновичем и объявлен конкурс на лучший проект, в котором участвовали ведущие зодчие неорусского стиля – В.А.Покровский, А.В.Щусев, А.П.Аплаксин, В.В.Суслов, Л.А.Ильин, В.А.Косяков. По решению Синода остатки сгоревшего Троицкого собора предполагалось перевезти в Стрельну и передать под подворье Шамординского Казанского Амвросиевского монастыря. Однако, против этого высказалось ведавшее охраной памятников Императорское археологическое общество, которое предложило восстановить прежний храм «как историческую святыню… символ современной русской Империи». Для оценки проектов Академией художеств были избраны профессора Л.Н.Бенуа, Г.И. Котов, А.Н.Померанцев и М.Т.Преображенский. Срок представления был назначен на 1 октября 1915 г., однако, вплоть до революции проект реставрации собора утвержден не был.

До восстановления сгоревший собор был покрыт временной крышей. Службы проводились во временном деревянном храме, построенном по проекту архитектора А.П.Аплаксина в 40 метрах к юго-востоку от сгоревшего здания собора и освященном в декабре 1913 года. Временный храм являлся копией сгоревшего собора и простоял до 1927 года.

Декретом СНК от 23 января 1918 г. «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» собор лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации.

В 1924 году на средства прихожан под руководством архитектора Е.И.Катонина началась реставрация сгоревшего храма. Работы велись под наблюдением Реставрационной мастерской Ленинградского отделения Главнауки. Восстановленный храм освящен в 1926 году. Деревянный на каменном фундаменте однокупольный собор в плане представлял собой четырехугольник с трехскатной крышей. С востока к нему примыкал алтарь, с запада – трехъярусный притвор с колокольней. Купол был покрыт железом и окрашен синим цветом, кресты бронзовые золоченые. Внутри стены отштукатурены и окрашены масляной краской. Закрыт и снесен в 1933 году.

Указы С.-Петербургской духовной консистории, журналы заседаний Строительной комиссии, сметы; контракты, договоры с подрядчиками и др. документы о перестройке собора (1876 г.).

Метрические книги собора (1841–1842; 1844–1848; 1859–1874; 1899; 1914–1919 гг.); книги брачных обысков (1818–1833; 1853–1868 гг.) и брачные документы разных лиц (1914 г.).

Дополнительная церковная и ризничная опись собора (1864 г.); книги прихода и расхода денежных сумм собора (1886–1888; 1895–1897; 1913–1928 гг.).

Журналы заседаний членов попечительного совета при соборе по оказанию помощи семьям лиц, призванных в действующую армию (1914 г.); прошения разных лиц в попечительный совет об оказании материальной помощи (1914 г.); ведомости о выплате пособий (1914–1916 гг.).

Имеются главные церковные и ризничные описи церквей Троице-Сергиевой пустыни (б/д).