Троице-Измайловский собор находится близ реки Фонтанки, рядом с начинающимся от неё Измайловский проспектом. Этот проспект являлся главной дорогой слободы Измайловского полка, расквартированного здесь после своего основания в 1730 году.

Первым храмом Измайловского полка был всего лишь походный шатёр. Зимой он убирался, солдаты и офицеры ходили в другие церкви. В 1754-1756 годах, при правлении Елизаветы Петровны (основательницы полка), здесь был построен деревянный храм. Характерной особенностью этой церкви было расположение малых куполов относительно главного. Они были расставлены на украинский манер, по ветвям креста по сторонам света. К 1820-м годам здание церкви сильно обветшало, особый урон принесло наводнение 1824 года.

По желанию императора Николая I, в память командования им Измайловским полком, решено было построить новый каменный храм. 13 мая состоялась его торжественная закладка. Автором проекта стал В. П. Стасов. Главный купол собора - второй по величине деревянный купол в Европе. В хорошую погоду его видно за 20 километров от города. В прошлом на голубом фоне купола находились золотые звёзды. Малые купола вновь были поставлены по сторонам света. Общая высота здания - 80 метров. Оно вмещает в себя более 3000 человек. Освящение Троице-Измайловского собора состоялось в присутствии императорский семьи 25 мая 1835 года. Главный предел был храма освящён во имя Святой Троицы. Архитектору Стасову император пожаловал орден святого Станислава.

В 1836 году в стены были вмонтированы памятные доски. На них упомянуты имена офицеров Измайловского полка, погибших в сражениях при Аустерлице, Фридланде, Бородине и Кульме. Здесь же хранились знамёна полка, ключи от взятых крепостей Карса, Баязета, Лемотика, Никополя, Адрианополя и других городов.

15 февраля 1867 года в Троице-Измайловском соборе венчались Ф. М. Достоевский и А. Г. Сниткина.

В 1886 году перед Троице-Измайловским собором был установлен памятник Воинская слава , созданынй по проекту архитектора Давида Гримма. Памятник состоял из стволов 108 захваченных у турок пушек. Вокруг монумента стояли такие же трофейные пушки. Высота памятника составляла 30 метров. На его вершине был установлен бронзовый орёл, держащий в лапах пальмовую ветвь и венок.

В 1894-1985 годах напротив Троице-Измайловского собора по проекту С. П. Кондратьева была построена часовня. В 1928 году она была закрыта и использовалась не по назначению.

В 1930 году памятник Воинская слава был демонтирован. Считается, что это было сделано в связи с визитом наркома Ворошилова в Турцию - дабы не напоминать дружественной стране о её поражении. Турецкие пушки были отправлены в переплавку. На месте памятника был установлен бюст Стасова.

В 1938 году собор был закрыт. Здание планировали снести, либо использовать как крематорий. Однако в результате его помещения стали использовать как овощехранилище. Внутреннее убранство собора не сохранилось, само здание сильно пострадало. В 1990 году оно было возвращено церкви, до сих пор идёт реставрация. Часовня реставрирована в 1999 году, в ней работает церковная лавка. Восстановлен и памятник Воинская слава , на месте утраченного монумента была установлена его копия.

25 августа 2006 года в шестом часу вечера загорелись строительные леса на главном куполе собора. Огонь быстро охватил деревянное сооружение, остановить его распространение не удалось. В результате полностью сгорел главный купол с одним из боковых. Купол обрушился вниз, перенеся пожар внутрь здания.