Архитектура

В 1830 г. возвели малые купола и покрыли их, по указанию Стасова, медью для долговечности. К октябрю 1831 г. возвели металлический главный купол и установили на нем крест. 23 февраля 1834 г. страшною бурею повредило главный купол и снесло с него крест. Была сорвана большая часть медной обшивки. Комиссия пришла к выводу, что ребра полосового железа, из которых состоял купол, были недостаточной жесткости, а сама конструкция была слишком тяжела. Составление проекта купола поручили гражданскому инженеру Петру Базену, который создал ставшую впоследствии классической конструкцию из деревянных радиальных ферм, которую возвели за три месяца, без лесов, методом навесного монтажа, используя лишь внутренние подмостки. Убытки Император возместил за свой счет.

К 1835 г. храм был готов. Здание высотой около 80 м и вместимостью до 3000 человек. В соответствии с пожеланиями духовенства, зодчий положил в основу плана собора греческий равноконечный крест. Малые купола вокруг главного купола были расставлены не диагонально, как делалось обычно, а над рукавами креста, по странам света. На большом куполе было 280 звезд, а на малых по 208. Главный купол собора - второй по величине деревянный купол в Европе.

Здание украшают скульптурный фриз, портики из коринфских колонн. Чугунные треножники на балюстрадах придают зданию нарядность и пышность. Скульптуры ангелов в нишах изваял скульптор С. И. Гальберг.

Освящение храма состоялось 25 мая 1835 г.: архимандрит Нил освятил придел св. Иоанна Воина, архимандрит Феодотий освятил южный придел во имя св. равноапостольной Марии Магдалины, а митрополит Московский Филарет, в сослужении с наместником Александро-Невской лавры Палладием и архимандритом Платоном главный придел Святой Живоначальной Троицы.

В 1836 г. в стены собора были вмонтированы памятные мраморные доски с именами офицеров Измайловского полка, погибших в сражениях при Аустерлице, Фридланде, Бородине и Кульме. Здесь хранились знамена полка и ключи от крепостей Карса, Баязета, Лемотика, Никополя, Адрианополя и других городов, а также трофеи военных кампаний 1854, 1877 – 1878 гг.

Внутри собора барабан главного купола, отделанный кессонами с розетками, покоится на 24 стройных коринфских колоннах. Колонны и пилястры облицованы белым мрамором. Сень над престолом, решенная в виде полуротонды из четырёх колонн, составляла единую композицию с резным деревянным иконостасом, изготовленным в мастерской Тарасова. Образа для иконостаса написали художники В. К. Шебуев, А. И. Иванов, А. Е. Егоров, роспись выполнили художники А. И. Травин и Т. А. Медведев. Император Николай I подарил собору утварь из самоцветных камней. Среди святынь храма была икона "Христос – Великий Архиерей", писанная для первой, деревянной церкви.

В 1867 г. в Троицком соборе венчался Ф. М. Достоевский, в 1894 г. в нем отпевали А. Г. Рубинштейна.

В 1886 г. перед собором открыт памятник Славы, изготовленный из стволов 108 трофейных турецких орудий. Архитектор Д. И. Гримм, скульптор П. И. Шварц. Завершался памятник крылатой фигурой Победы с лавровым венком и пальмовой ветвью в руках. На семиметровом пьедестале памятника находились бронзовые доски с выбитыми на них наименованиями войсковых частей, участвовавших в войне 1877-1878 гг. В 1930 г. памятник был разрушен, в 2004 г. восстановлен на прежнем месте.

Советское время

В 1938 г. собор был закрыт. На его месте планировалось построить, то Дом Трудящихся, то крематорий, то устроить трамвайное кольцо. Подвалы использовались в качестве овощехранилища. Снести собор до ВОВ не успели. Здание было повреждено во время артобстрелов, были разрушены металлические конструкции одного из малых куполов, которые восстановили в 1952-1953 гг. Внутреннее убранство было полностью утрачено. Здание долгое время использовалось в качестве склада, не отапливалось. В 1980-х гг. возникла идея устроить в здании храма концертный зал Консерватории, но воплощению ее в жизнь помешали залитые водой подвалы.

В 1990 г. здание было возвращено Епархии. Было восстановлено отопление, осушены подвалы, начался ремонт. Придел св. мч. Иоанна Воина освящен малым чином 22 мая 2006 г.

Пожар

25 августа 2006 г. собор пострадал от пожара, возникшего на строительных лесах главного купола. Сгорели деревянные конструкции центрального купола, пострадал малый западный купол. Виновных определить так и не удалось. На восстановление храма было собрано более 3 млн. руб. пожертвований, столько же передал приходу Святейший Патриарх Алексий II, участие в восстановлении приняло Русское Афонское общество, Папа Римский выделил 10 тысяч евро. Были выделены средства и из городского бюджета.

В наличии имелись обмерные чертежи и модель купола инженера Базена, сделанная в 1834 г., которая находится в Эрмитаже. Институт "Спецпроектреставрация" рассматривал несколько вариантов восстановления купола. Росохранкультура не согласилась с применением металла.

Было принято решение восстановить купол из клееного бруса, который можно монтировать без сварки. Генеральным подрядчиком работ являлась реставрационная компания "Акме-дек". Работы велись совместно с НИИ клееных деревянных конструкций имени Кучеренко (Москва) и под наблюдением Союза реставраторов Санкт-Петербурга. Купол собирался из широкопролетных арок из клееной армированной сосновой древесины. Детали были изготовлены в Нижнем Новгороде, на Деревообрабатывающем комбинате № 78. Элементы каркаса купола монтировались на земле и поднимались на барабан с помощью башенного крана. Каждое ребро имеет вес 2,5 т, всего использовано 32 ребра.

Купол покрыт медью. Восстановлены исторические шестиконечные звезды. В 2009 г. проведена реставрация фасадов.

Здание храма внесено в охранный реестр ЮНЕСКО.