Памятник истории и культуры XVIII века строился два раза. Первое здание возвели в 1757 году, но позднее его разобрали из-за появившихся на фасаде трещин. Новый храм появился на месте одной из утраченных башен Вологодского кремля в 1771 году. Двухэтажный собор с пятью куполами выполнен в стиле русского барокко. Позже церковь несколько раз перестраивалась. В советские годы здесь располагался художественный отдел областного музея и картинная галерея, сохранившаяся до сих пор. Сегодня собор действующий, в нем проводятся службы. В храме можно увидеть икону Святой Троицы XIV века и мощи святых.