Трехпрестольный храм, заложенный в 1818 году как единоверческий, был одним из самых крупных в городе.

В храме пребывали чтимые иконы — Казанский образ Божией Матери в серебряном позолоченном окладе с венцом из чистого золота, украшенный драгоценными камнями, и образ святителя Николая Чудотворца, так же в серебряном позолоченном окладе. В алтаре находилось древнее Евангелие и 13-килограммовая дарохранительница, украшенная самоцветами.

В 1920 году в ходе массовой кампании по экспроприации церковных ценностей из Свято-Троицкого храма было изъято пять пудов серебра и оклад чтимой Казанской иконы Божией Матери, украшенный 132-мя бриллиантами. Через 10 лет постановлением городского совета церковь была закрыта для богослужений. Тогда же снесли купол и колокольню, внутри провели перепланировку. В здании располагались клуб, кинотеатр, ткацкая фабрика. Последним владельцем был Дом культуры «Автомобилист».

В 1995 году здание собора было возвращено Церкви. Начались восстановительные работы и строительство в алтарной части.

24 сентября 2000 года чин освящения возрожденного храма совершил Святейший Патриарх Алексий II. По его Первосвятительскому благословению храму был присвоен статус кафедрального собора. Сюда была перенесена одна из особо чтимых святынь Екатеринбургской епархии — икона святой великомученицы Екатерины с частицей ее мощей.

17 апреля 2010 года, в ходе Первосвятительского визита в Екатеринбургскую епархию, Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил в Свято-Троицком соборе всенощное бдение и передал в дар храму икону Святой Троицы.

В Свято-Троицкий собор традиционно приносят всеправославные святыни, посещающие уральский регион; здесь побывали мощи апостола Андрея Первозванного, Пояс Пресвятой Богородицы, Почаевская икона Божией Матери, частица Ризы Господней и др. Отсюда начинаются традиционные крестные ходы к Храму-на-Крови — в праздник Святой Пасхи, день памяти великомученицы Екатерины и день празднования Казанской иконе Божией Матери (День народного единства).