История Троицкого собора Подольска началась в августе 1818 г., когда горожане обратились к архиепископу Московскому и Коломенскому Августину (Виноградскому) с прошением о возведении нового храма: «…решили единодушно устроить вновь церковь каменную, огромного здания, внутри самого города, на Красной площади, во имя Живоначальной Троицы, с приделами: с правой стороны — во имя Успения Божией Матери, а с левой — во имя святых апостолов Петра и Павла, на которой площади для помещения новой церкви и построения священно- и церковнослужителям домов земли весьма достаточно». Благочестивые подольчане хотели, чтобы собор был построен в честь победы русского народа в Отечественной войне 1812 г. Над созданием проекта нового храма работал архитектор Осип Иванович Бове. 31 октября 1818 г. архиепископ Августин подписал храмозданную грамоту. В июне 1819 г. митрополиту Московскому и Коломенскому Серафиму (Глаголевскому) был представлен исправленный проект церкви. Летом приступили к строительству: заложили фундамент и возвели стены под уровень окон. Работы выполняли местные мастера купца Василия Семеновича Стрельцова. Согласно заключенному с ним контракту, постройку планировалось закончить не позднее 1822 г., а стоимость всех работ, не считая материалов, составляла 24 050 рублей.
Уже в 1820 г. имеющихся средств для продолжения строительства оказалось недостаточно и был начат сбор пожертвований. Для этой цели около строящегося храма, на площади при Большой Серпуховской дороге возвели деревянную часовню, которая в 1847 г. была заменена каменной; тогда же на церковной земле построили каменные одноэтажные торговые лавки. Несмотря на то что сбор средств продолжался и в последующие годы, в 1824 г. церковь все еще была не достроена: «…совершена вчерне совсем, покрыта железом, а осталось поставить на ней главы, прикласть крыльца, настлать пол и выщекотурить внутренность, колокольни же складен один первый ярус». Только 8 сентября 1825 г. был освящен придел Успения Божией Матери. К этому времени деревянный иконостас придела выкрасили в белый цвет, а колонны и резьбу позолотили. До окончания работ было еще далеко; колокола временно развесили на каменных столбах, располагавшихся рядом. В 1827 г. строительство храма подошло к концу, но внутренняя отделка и завершение колокольни оставались делом будущего. Долг прихода составлял тогда 12 000 рублей. К 1831 г. был изготовлен иконостас центрального придела; освящение главного (Троицкого) престола состоялось в 1832 г.
Троицкий собор относится к архитектурным памятникам стиля ампир. Здание состоит из основного четверика и пристроенных к нему алтарной апсиды, прямоугольной трапезной и колокольни. Центральная ротонда, возвышающаяся над основным объемом, прорезана небольшими арочными окнами и завершена полусферическим куполом с главой и крестом. Стоящие по углам четверика небольшие барабаны также имеют главки с крестами. С северной и южной сторон четверика находятся два тосканских четырехколонных портика, завершающиеся фронтоном. Алтарная полукруглая апсида расчленена плоскими пилястрами. Лепной фриз опоясывает все здание. На фасадах расположены живописные изображения.
Трехъярусная колокольня имеет более богатое лепное убранство. Ее нижний ярус украшен с севера и юга трехколонными портиками тосканского ордера с фронтонами, а с запада — четырехколонным. Каждая из четырех сторон второго яруса декорирована двумя колоннами. Третий ярус, отделенный от второго лепным карнизом, украшен с четырех сторон колоннами ионического ордера, над которыми расположены лепной фриз, карниз и фронтон с тимпаном. Завершается колокольня куполом с главкой.
Стены собора сложены из кирпича; цоколь, колонны и элементы декора фасадов белокаменные.
Внутри трапезная расчленена шестью столбами, пространства между которыми перекрыты крестовыми сводами. Арочный проем соединяет трапезную с основной частью храма. Перекрытие алтарной апсиды плоское. Стены внутри украшены масляной живописью.
В 1866 г. в Подольске и уезде свирепствовала холера. По благословению митрополита Московского и Коломенского Филарета (Дроздова) из Бронниц была принесена Иерусалимская икона Божией Матери. Подольчане горячо молились Пресвятой Богородице перед этим образом, и страшная эпидемия прекратилась. В 1868 г. для Троицкого собора был изготовлен список с иконы, который сохранился до наших дней. Во время торжеств, посвященных 50-летию избавления Подольска от холеры, в собор были пожертвованы две хоругви с надписями: «От жителей города Подольска».
В августе 1882 г. Троицкий собор подготовили к новому освящению после проведенного в нем обновления. Серебряные ризы и иконостас были позолочены, а настенная живопись, выполненная московским художником Варлаамом, поновлена. Освящение храма совершил епископ Можайский Алексий (Лавров-Платонов).
В 1884 г. на службе в Троицком соборе присутствовал Петр Ильич Чайковский. Его восхитило стройное пение хора, состоявшего из местных певчих (руководил хором П. Д Волков): «Очень хорошая церковь, весьма благопристойное пение и служба».
22 ноября 1897 г. Московская духовная консистория издала указ об открытии церковноприходской школы при Троицком храме Подольска. Летом следующего года приступили к ее строительству. 1 сентября 1898 г. начались занятия. Так исполнилась давняя мечта причта и прихожан: теперь у детей из бедных семей появилась возможность получить образование. Школа стала широко известна в Московской епархии. Несколько раз в Подольске проводились съезды учителей церковноприходских школ. В послереволюционное время здание школы было реквизировано; лишь в начале 1990-х гг. его вернули Троицкому собору. Теперь в нем располагаются учебные классы воскресной школы. В этом же здании находится крестильный храм, освященный во имя священномученика Владимира (Богоявленского), митрополита Киевского и Галицкого. В этом храме не только крестят, но и совершают богослужения для детей-инвалидов с отклонениями в развитии.
31 октября 1914 г. собор Святой Троицы посетила великая княгиня Елисавета Федоровна. С приветственным словом к ней обратился настоятель священник Сергий Левкиевский. Приложившись к чтимому Иерусалимскому образу Божией Матери и к иконе апостолов Петра и Павла, княгиня направилась в лазареты при городской управе и больнице. Позже в земской управе Елисавета Федоровна возглавила заседание комитета по оказанию помощи семьям призванных на войну и в 8 часов вечера покинула Подольск.
12—13 августа 1921 г. подольчане встречали у себя в городе Патриарха Московского и всея России Тихона (Беллавина). Он совершил всенощное бдение и Божественную литургию в Троицком соборе. К сожалению, подробных сведений об этом событии нет. Сохранилась лишь краткая запись о визите в Подольск в богослужебном дневнике святителя и письмо уполномоченного VI отделения МЧК М. М. Шмелева к заместителю начальника СО МЧК У. И. Пюкенену, в котором говорилось: «…при разрешении ему [патриарху] выезда из Москвы, как недавно в Подольс[к], такой арест, не давая ничего делу вообще, не становясь мерой пресечения чего-либо со стороны Тихона, лишь дает ему и всем его чтущим право и основание считать Тихона страждущим, угнетаемым за православную веру и пр.».
4 апреля 1922 г. в соборе провели изъятие ценностей. Было вывезено более 3 пудов серебра.
В 1927 г. было получено разрешение на постройку деревянной сторожки, которую и ныне можно видеть рядом с храмом.
В конце 1920-х—1930-е гг. в Троицком соборе служил священник Петр Ворона, прославленный в лике святых в 2000 г.
С 1930 г. собор Святой Троицы стал единственным действующим в Подольске храмом. Уже в 1935 г. было принято решение о застройке территории, прилегающей к собору. Работы велись в послевоенное время; высокие здания заслонили храм с двух сторон.
В период с октября 1982 г. по июнь 1984 г. проводилась реставрация фресок внутри собора. Было установлено, что при предыдущих поновлениях сильно изменены колорит и построение некоторых сюжетов. Например, на западной стене под сценой «Богоявление» реставраторы обнаружили «Преображение». Цвет фона во всех медальонах изначально был золотым. Композиции, размещенные на сводах, имели «орнаментальное золоченое обрамление». Живописное убранство оконных проемов было полностью переписано, а «полотенца» в стиле XVII столетия в цокольной части стен появились лишь во время последней реставрации. Все поздние записи с фресок были удалены.
9 сентября 2001 г. Троицкий собор посетил Патриарх Московский и всея Руси Алексий II (Ридигер).
В 1991 г. при соборе открыла свои двери воскресная школа, которая помогает стремящимся к вере людям, прежде всего детям, стать сознательными христианами. Обучение в школе благотворно влияет на духовно-нравственную атмосферу в семьях учащихся, помогает преодолеть разрыв между Церковью и обществом.
В 2002 г. на базе воскресной школы была создана православная молодежная организация «Протос».
В сентябре 2005 г. в собор были принесены для поклонения мощи святого великомученика Георгия Победоносца.
За последние несколько лет в Троицком соборе было проведено множество восстановительных работ: поновлена позолота всех иконостасов и киотов, отреставрированы иконы, промыта настенная живопись; на колокольне размещены новые колокола; вызолочены все купола и главки.
По материалам книги «Святыни Подмосковья. Подольское благочиние». Семенов К.А., Подольск.