В первый же год своей работы в Калуге губернский архитектор И.Д.Ясныгин приступил к составлению проекта городского собора. Согласно утвержденному плану города он должен был стоять в центре площади, ограниченной с трех сторон корпусами Присутственных мест. Это был четвертый по счету Троицкий собор. Первый, деревянный, очевидно построенный еще в ХVI в., упоминается в 1610 г. по случаю захоронения в нем Лжедмитрия II.

Этот храм сгорел. Позже был выстроен новый "древян клетски о двух шатрах", на месте которого в 1687 г. воздвигли каменный собор в память Федора Алексеевича, но к концу ХVIII в. и этот собор пришел в такое состояние, что пришлось запретить служить в нем. Закладка нового собора состоялась в 1786 г.

Смелое решение Ясныгина возвести купол диаметром в 24 аршина (17 м) для перекрытия бесстолпного храма показалось многим неосуществимым. Но позднее правильность расчетов Ясныгина была доказана, но из-за недостатка средств строительство собора возобновилось лишь в 1804 г. только весной 1819 г. Ясныгин дождался освящения нового собора. Он выстроен в стиле русского классицизма, увенчан огромным полусферическим куполом; к стенам нижней крестообразной части примыкают полуколонны тосканского ордера, на южном и северном фасаде – перекрытый фронтоном портик. Переход, соединяющий колокольню с церковью, был задуман как открытая галерея, чем достигался интересный пространственный эффект.

Ясныгин обладал талантом градостроителя. При проектировании собора он исходил из месторасположения его на сравнительно небольшой площади, запроектированной почти замкнутой, и характерна архитектуры строений, окружающих ее с трех сторон.