Первое известие о Калужском соборе восходит к 1610 г. По некоторым данным, этот деревянный собор был сожжен запорожцами в 1618 году, второй был выстроен боярином Романовым. Со временем этот храм пришел в ветхость, и около 1687 г. был построен новый каменный. Через сто лет и этот храм обветшал, и с 1786 г. начато построение теперешнего собора. Но работы были остановлены до 1804 года. В 1808 г. работы подходили к концу и собор был окончен в 1811 году. Такая задержка в строении была из-за купола. Губернский архитектор Иван Денисович Ясныгин решил возвести первый в России купол в 24 аршина в диаметре без всякий побочных укреплений. Эта смелая идея встретила сопротивление со стороны архитектора Захарова. Однако идея Ясныгина воплотилась, т.к. купол сооружен именно в этом виде.

Троицкий собор имеет два придела: Тихвинской иконы Божьей Матери и Калужской иконы Божьей Матери. В Соборе имеется Царское место с образом Марии Магдалины. Оно устроено в память того, что здесь 2 мая 1826 года стояла на литургии Императрица Мария Федоровна, бывшая в Калуге для встречи возвращавшейся из Крыма Императрицы Елизаветы Алексеевны. До революции в соборе хранились 11 знамен калужского ополчения, отличившихся в войну 1812 года. Кроме того, хранилось знамя Азовского пехотного полка, установленное в 1866 году в память о подвиге калужанина, унтер-офицера Азовского пехотного полка С.А. Старичкова, спасшего это знамя в Аустерлицком сражении 1805 года.

Многие калужане были вкладчиками: Гончаровы, Небольсины, Черновы. С 1819 года шли часы на колокольне, привезенные Черновым из Англии. Троицкий собор был освещен Калужским архиепископом в 1815 году и посвящен победе России над Наполеоном в Отечественной войне 1812 года. Вся постройка обошлась в 200000 рублей.

В 1926 году собор был закрыт; в нем пытались устроить кинотеатр, театр, обсерваторию, зоопарк. С 1929 года был устроен Дом обороны. В 1941 году здание горело. В 1950 году в соборе был оборудован спортзал, просуществовавший до 1992 года. Ныне Калужский кафедральный собор снова является главным среди всех церквей города и области: в 1999 году он вновь освящен в честь 200-летия Калужской Епархии Патриархом Московским и Всея Руси Алексием II.

Кафедральный Троицкий собор — самое крупное культовое здание в Калужской губернии. К повторному освящению собора он был расписан заново — все фасады и интерьер. Автор росписи — отец Александр (Казин).

Внутри храма, близ южных дверей, погребены 3 калужские епископа: Евлампий (+ 1813 г), Николай (+ 1851 г.) и Григорий (+ 1881 г.).