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, 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. Деревянный храм строился по образцу церкви в имении духовника Елизаветы Петровны - Керстово, под Петербургом. Императрица подарила церкви Святой Живоначальной Троицы при Измайловском полку богатую утварь. К 1820-м годам здание церкви сильно обветшало. Особый урон принесло наводнение 1824 года. Вода затопила его на два метра, уничтожила имущество и большинство икон.
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 архитектор Василий Петрович Стасов. На строительной площадке трудились 204 каменщика, 277 подносчиков, 24 топорщика, 30 каменотёсцев, 12 кузнецов, 80 плотников, 11 сторожей и 3 десятника [1, с. 25].
Сооружение Измайловского собора осложнялось слабым грунтом. В него пришлось вбить около 9 000 свай. Когда при возведении барабанов и куполов неожиданно дали трещины все поддерживающие своды колонны, Стасов был заключён под арест на одни сутки.
Главный купол собора был полностью собран к 18 октября 1831 года. Он стал вторым по величине деревянным куполом в Европе. В хорошую погоду его видно за 20 километров от города. При покраске купола всё пространство на 100 сажен вокруг собора поливали, дабы пыль не попадала на дорогую краску. На голубом фоне нарисовали золотые звёзды. Малые купола вновь были поставлены по сторонам света.
В ночь с 22 на 23 февраля 1834 года произошла авария. Её описал художник А. И. Иванов в письме своему сыну 24 марта 1834 года:
Из-за этого происшествия В. П. Стасов пробыл под арестом десять суток. Комиссия по расследованию аварии состояла из архитекторов А. Михайлова, Висконти, Монферрана, К. Тона и И. Шарлеманя. Они пришли к выводу, что купол обладал недостаточной жёсткостью, плохо был связан с опорным кольцом стен и из-за тяжёлого фонарика с главкой и крестом имел слишком высокий центр тяжести. Купол исправили в течение следующих трёх месяцев.
Внутренние колонны и пилястры Троице-Измайловского собора облицевали белым искусственным мрамором. Интерьер украсила люстра в 300 свечей, созданная К. Грейсоном.
Общая высота здания - 80 метров. Оно вмещает в себя более 3 000 человек. Троице-Измайловский собор стал на момент открытия самым большим храмом в России. Его освещало самое большое в Европе паникадило в 370 свечей.
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 второй степени.
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 писатель Ф. М. Достоевский и А. Г. Сниткина. Здесь же отпевали композитора А. Рубинштейна.
В 1886 году перед Троице-Измайловским собором был установлен памятник "Колонна Славы", созданный по проекту архитектора Давида Гримма.
В 1894-1985 годах напротив Троице-Измайловского собора по проекту С. П. Кондратьева была построена часовня.
Советские годы сказались на Троице-Измайловском соборе самым печальным способом. В 1928 году часовня была закрыта и использовалась не по назначению. Ещё через десять лет 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.
Троице-Измайловский собор вернули верующим в 1990 году. До сих пор продолжается его реставрация. Часовня реставрирована в 1999 году, в ней теперь работает церковная лавка.
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. К настоящему времени купол Троице-Измайловского собора восстановлен.
