Собор Святой Живоначальной Троицы Лейб-Гвардии Измайловского полка построен по проекту архитектора Василия Стасова. Торжественная закладка церкви состоялась 13 (25) мая 1828 года, на ней присутствовал цесаревич Александр Николаевич — будущий император Александр II.
Строительство велось за счёт казны и личных средств царя Николая I, всего было потрачено три миллиона рублей. Торжественное освящение собора состоялось 25 мая (6 июня) 1835 года. В 1867 году здесь венчались Фёдор Достоевский и Анна Сниткина. В 1894 году под сводами церкви отпевали музыканта Антона Рубинштейна.
В 1922-1924 годах служители этого храма примыкали к обновленцам. В 1928-1938 годах церковь служила кафедральным собором митрополитов Ленинградских. В 1938 году её закрыли, но не снесли. В годы Советской власти здесь находился склад.
В 1990 году Троице-Измайловский собор вернули Русской православной церкви. 25 августа 2006 года в храме произошёл крупный пожар, который полностью уничтожил старинную деревянную конструкцию купола. На восстановление храма папа Римский Бенедикт XVI пожертвовал десять тысяч евро. Реставрация закончилась только 11 января 2017 года. В 2005 году на храмовой территории восстановили Памятник Славы, посвящённый Русско-турецкой войне 1877—1878 годов.
