Первоначальный храм был сложен из дерева и освящен 15 июня 1380 года, незадолго до Куликовской битвы. Небольшой по размеру, он мог быть похож на известные памятники раннемосковской архитектуры, такие, как Спасский собор московского Спасо-Андроникова монастыря и Успенский собор в Звенигороде. Как правило, в те времена главный городской храм на Руси посвящали в честь Успения Богородицы, а в Серпухове князь Владимир Храбрый строит Троицкий. Объясняется это просто: духовным учителем Владимира Андреевича был Сергий Радонежский, призывавший тогда русский люд к усердному почитанию Пресвятой Троицы. В самой Троице Живоначальной игуменом земли Русской было выделено не только святое совершенство бесконечной жизни, но и пример для жизни земной. В шестнадцатом столетии был сооружен новый каменный собор – на данный момент от него сохранилась кладка западной и северной стен с внутристенной лестницей.

О значении Троицкого храма в жизни серпуховского края свидетельствуют грамоты великих князей и царей. В 1514 году грамотой Василия III были подтверждены старинные привилегии духовенства Троицкого собора. Его протопопу люди, приезжавшие торговать в Серпухов, должны были платить таможенную пошлину. Треть средств шла на содержание храма Великомученика Димитрия Солунского, построенного в крепости еще князем Владимиром Храбрым. Протопопы собора собирали венечную пошлину со всего Серпуховского уезда. Кто венчался без уплаты ее, подлежал штрафу в два рубля – очень большие деньги для того времени. В семнадцатом веке в соборе был придел святого мученика Димитрия Солунского, разобранный и вновь восстановленный при перестройке в 1837-1841 годы, когда были также изменены купола колокольни и храма, пристроен придел святителя Николая Мирликийского.

После сильного пожара 1669 года, собор пришел в ветхость и к 1696 году храм был почти полностью перестроен. Строительство велось на средства архимандрита столичного Спасо-Андроникова монастыря Феодотия, бывшего до монашеского пострига клириком серпуховского собора. По мнению архитекторов, собор – это интересный памятник провинциального церковного зодчества: когда-то он был украшен не одной, а пятью главами. В начале восемнадцатого века рядом с собором построили отдельно стоящую колокольню. Долгое время на ней сохранялся будничный колокол 1709 года, также пожертвованный архимандритом Феодотием «в поминовение родителей». Архитектура православного храма и элементы его украшений всегда несли определенное смысловое содержание. Так, ступенчатость, ярусность Троицкого собора с его карнизами, полуколонками и убывающими кверху объемами могли напоминать о лествице (лестнице) добродетелей, которую должен пройти в своей жизни православный христианин, «дабы непостыдно предстать перед престолом Святой Троицы». В 1837-1841 годах колокольня и собор были объединены пристройкой двух приделов – Никольского с юга и Дмитриевского с севера.

В результате реконструкции облик древнейшего серпуховского храма был сильно изменен – удалено пятиглавие, стесаны архитектурные украшения семнадцатого столетия, изменен облик колокольни, вокруг собора устроена ограда. До закрытия в начале 1930-х годов, в интерьере храма сохранялись старинные иконы, из которых особо древними были образа Святой Троицы и Богоматери Смоленской, находившиеся в местном ряду главного резного и позолоченного иконостаса. В одном из приделов хранилась икона-складень с серебряными створками. В ризнице собора находились старинные напрестольные кресты и Евангелия, шкатулка с древними драгоценными привесками к иконам, жалованные грамоты московских царей соборному причту, комплекты архиерейского облачения, в трапезной храма висели иконы, находившиеся когда-то на воротах белокаменного серпуховского Кремля. Первым по времени обер-священником армии и флота был протоиерей Павел Яковлевич Озерецковский, с 1795 по 1797 год настоятель Троицкого собора. В середине девятнадцатого века в соборе служил протоиерей Александр Левитский, любитель старины, собиравший документы по истории Троицкого собора и пользовавшийся всеобщим уважением и большим влиянием в городе. Когда в июне 1924 года Святейший Патриарх Тихон приезжал в Серпухов, он останавливался именно на Соборной горе, посетив храм. После закрытия в начале 1930-х годов, Троицкий собор был разграблен и осквернен, расстрелян настоятель протоиерей Василий Студницын. Само здание постепенно разрушалось. В 1967 году началась его реставрация: восстановлена первоначальная архитектура колокольни, фасады. С начала восьмидесятых Троицкий собор является филиалом Серпуховского историко-художественного музея, что спасло его от окончательного разрушения.

21 сентября 2003 года собором духовенства Серпуховского благочиния был отслужен первый со дня закрытия храма молебен с водоосвящением. В 2009 году между музеем и Серпуховским благочинием было заключено Соглашение о совместном использовании Троицкого собора. В настоящее время в храме ведутся реставрационные работы. Елена Исаева