Деревянная церковь на месте современного собора появилась в XIV веке. В некоторых источниках указывается год основания 1380. Первый каменный храм сооружён в XVI веке. Перестроен на средства бывшего священника собора, архимандрита Московского Спасо-Андроникова монастыря Феодосия.
В XVII веке собор имел придел святого мученика Димитрия Солунского, который через некоторое время был разобран. В 1837—1841 годах храм переживает перестройку в духе классицизма, в ходе которой были изменены колокольня и восьмерик храма, добавлен придел святителя Николая Мирликийского, в стиле ампир сформирован декор фасадов, а также восстановлен придел святого мученика Димитрия Солунского. Оба придела освящены в память прежде существовавших в кремле церквей.
В конце 1930-х годов собор закрыт.
В 1967-1970-х годах колокольня XVII века, полностью сохранившаяся под обкладкой и куполом XIX века, была вновь раскрыта архитектором Николаем Николаевичем Свешниковым.
С 1985 года по настоящее время в здании собора располагается краеведческий филиал Серпуховского историко-художественного музея.
Архитектурные особенности
Троицкий собор ныне представляет собой каменный храм типа восьмерик на четверике с трапезной в стиле московского барокко и шатровой колокольней. Первоначально восьмерик увенчан пятиглавием. Кладка частично включает элементы здания XVI века. В ходе реконструкций добавлены элементы в стилях классицизм, ампир.