Троицкий собор расположен на территории Верхотурского кремля. Собор является выдающимся памятником церковного зодчества Урала. В 1959 году он был объявлен ЮНЕСКО памятником архитектуры мирового значения.
Каменный Троицкий собор был заложен по царскому указу в 1703 году на месте деревянного. Возводили его лучшие мастера Урала и Сибирского приказа. Строительство продолжалось до 1712 года, но освящен был уже в 1709 году. В результате пожара 1738 года пострадали деревянные конструкции глав и крыши храма, которые были восстановлены через год. В 1825 году соборная церковь была обнесена со стороны посада каменной оградой, а деревянная кровля заменена на железное покрытие. У алтаря собора за оградой было отведено место для погребения преподобных священнослужителей, почетных граждан и состоятельных жертвователей. На звоннице колокольни установлен главный 109-пудовый колокол с 8 малыми колоколами, внутреннее убранство собора включало росписи стен, над которыми работал в 1887 года московский мастер, и четырехъярусный иконостас с иконами иеромонаха Иоанна из Тобольска. На изразцовых поясах можно прочитать следующий текст: "Лета от сотворения света 7211, а от Рождества Христова 1703, а обложена сия церковь во имя Святыя Живоначальныя Троицы повелением благочестивейшаго нашего монарха, великаго Государя и Великаго Князя Петра Алексеевича всея белыя и малыя России самодержца 32 его, при благоверном при благородном Государе нашем Цесаревиче и Великом Князе Алексие Петровиче, от рождения его в 15 лето, Государя между патриаршества в управлении патриаршего престола - Преосвященнаго Дмитрия, Митропоплита Рязанскаго и Муромскаго, благословением в духовном чину Преосвященнаго Филофея, Митрополита Сибирскаго и Тобольскаго, при прибытии на Верхотурье воеводою стольника Алексея Ивановича Калетина совершился в лето 1705 году ".
Объем Троицкого собора выдвинут за пределы крепости и обращен тремя фасадами в город, в то время как соборная колокольня остается на территории кремля. Сам собор представляет собой высокий храмовый объем с пятиглавым венчанием и шатровая колокольня удлиненных пропорций.
Троицкий собор как величественный памятник храмовой архитектуры начала XVIII века послужил образцом для возведения ряда первых церквей и храмов в южном Верхотурье, а также в других весях Урала и Сибири.