Историческим центром города вязьмичи считают высокий левый берег реки — соборный холм, украшенный на протяжении жизни многих поколений центральным храмом города — Троицким собором. На территории древнего городища (XI-XIII вв) во второй половине XVII века был возведен каменный храм. В 1565 году царь Иоанн IV Васильевич оставил в храме синодик с именами казненных при его правлении людей. По распоряжению Бориса Федоровича Годунова в 1597-1598 годах обветшавший Никольский собор разобран и на его месте поставлен новый, к которому пристроены Сергиевский, Трехсвятский и Рождественский приделы. В 1610 году соборный храм разорен польскими отрядами.

По повелению царя Михаила Федоровича в 1635 году собор отстроен заново и в честь заключения под Вязьмой Поляновского мира, в день Святой Троицы, переименован из Никольского в Троицкий. Во время пребывания царского семейства в 1654 году в Вязьме царь Алексей Михайлович и Патриарх Никон неоднократно посещали собор. В память об этом знаменательном событии на средства царя Алексея Михайловича и поставлен каменный собор в 1674-1676 годах.

Во время Отечественной войны 1812 года соборный храм сожжен и частично разрушен. В 1922 году на колокольне висели 9 колоколов. Собор закрыт в 1929 году. Вся богатая утварь, дары российских государей, древние книги и иконы экспроприированы новой властью и в основном исчезли бесследно. Богослужение в соборе возобновлено в конце 1941 года и с тех пор не прерывалось. Патриарх Московский и всея Руси Алексий II посетил собор 3 мая 1993 года.

Ежегодно собор посещает митрополит Кирилл. В Иверском приделе хранится древний резной образ святителя Николая Можайского, отреставрированный в начале 1990-х годов тверскими мастерами.