Первый по преданию был построен княгиней Ольгой в 10 веке. Тогда на территории Кремля была поставлена первая деревянная церковь.
Первое каменное здание храма заложено псковским князем Всеволодом Гавриилом в конце 30-х годов 12 века. Была применена в качестве материала известняковая плита. Впоследствии в этот храм были положены мощи его создателя, святого князя Всеволода. Этот, второй по счету, собор простоял до 1363 года, когда свод его рухнул, повредив отчасти и святые мощи.
В 1365-1367 годах на этом месте было построено новое церковное здание. В 1609 году во время сильного пожара в Кремле взорвался пороховой склад, отчего рухнули все стены по обоим набережным – Великой и Псковы. В соборе все сгорело, кроме гробницы святого князя Довмонта.
Дата постройки ныне существующего собора - 1682-1699 годы. Материалом для строительства послужила хорошо обработанная местная извнстняковая плита.
В Троицком соборе проходили торжественные обряды и службы, крещение, обряд посажения на княжение. Это и место погребения знаменитых псковских князей.
В 1938 году Русская православная миссия открыла собор для проведения богослужений.
В настоящем облике храма нашли отражение черты московского архитектурного стиля 17 века, т.к. он построен по чертежам московских зодчих. Одновременно с этим собору присущи строгость и простота древнего псковского зодчества.
Расположенный на высоком Кромском мысу, 78-и метровый собор виден на расстоянии нескольких десятков километров от города. Высоко в небе над собором сияет центральный золотой купол храма - символ Святой Троицы, которая была символом Псковской земли. Площадь купола составляет 300 м.кв., на его золочение во второй половине 20 века было израсходован 1 кг 310 г сусального золота. Другие 4 главы символизируют святых евангелистов: Матфея, Марка, Луку и Иоанна.
Внутренний декор Троицкого собора выдержан в традициях 17 века. Интерьер храма поражает своей высотой и высоким иконостасом. Семиярусный, деревянный, резной, золоченый иконостас Троицкого собора - это один из самых грандиозных иконостасов 17-18 веков, сохранившихся до наших дней.
Иконы пяти ярусов - это иконы местного, праздничного, деисусного, пророческого и праотеческого чинов. А два верхних яруса иконостаса изображают Страсти Господни. Венчает иконостас Распятие. Ранее, до 1640 года вместо распятия находилась икона Спасителя. Высота иконостаса вместе с завершающим его Распятием, составляет 42 метра. В центре иконостаса находятся Царские врата, расположенные напротив престола в алтаре. Купола храма изнутри расписаны звездами и облаками, как символы небесного свода.