Это был любимый храм Петра Великого. Царь бывал в нем два-три раза в неделю, читал Апостол и «пением своею особою, стоя на клиросе с прочими певчими, продолжал всенощное бдение часов по пяти и по шести». Здесь отмечались полтавские годовщины и заключение Ништадтского мира, когда Петру был поднесен титул Императора. Здесь поначалу в свой праздник собирались Андреевские кавалеры и произносил проповеди архиепископ Феофан (Прокопович). Здесь же отпевали казненного в 1718 царевича Алексея. По своему рангу собор до революции занимал в городе место сразу после Исаакиевского.
С основания новой столицы прошло всего четыре с половиной месяца, как был дан указ о закладке «в знак благодарения Триединому Божеству» церкви на правом берегу Невы, неподалеку от строящейся крепости. В апреле 1709 указ пришлось повторить, и 10.VII.1711 небольшая деревянная постройка была наконец освящена. Находясь в тогдашнем центре столицы. Троицкая церковь некоторое время считалась кафедральной.
Через два года после освящения храм расширили приделами и трапезной, над которой возвышалась двухъярусная колокольня с курантами, снятыми с московской Сухаревой башни, которые каждые четверть часа играли «Господи, помилуй». В 1721 г. в память о битве при Лесной был освящен придел прп. Харитона Исповедника, в котором установили походную церковь Петра, позже переданную в приписной Николо-Труниловский храм.
В январе 1732 был издан указ о возведении каменного храма, ибо «оная церковь совершенно обветшала... и невозможно свеч зажигать, что всегда от ветру угасают», отчего даже пришлось разобрать колокольню. Хотя М.Г. Земцов и П.М. Еропкин свои проекты составили, до их осуществления дело не дошло, и приготовленные стройматериалы пошли на Зимний дворец. В 1727 г. в Харитониевский придел из упраздненного храма Рождества Богородицы была передана чудотворная икона Казанской Божией Матери, которую позже перенесли в новоотстроенный храм на Невском.
В 1741 г. Земцов сделал новый проект купольного двухэтажного храма, но в апреле 1743 г. приказано было, разобрав обветшавшую деревянную постройку, восстановить «ровно такую, какова прежде быша». Работы вел X. фан Болес под руководством И.И. Сляднева. 1.VI.1745 в церкви был освящен придел прп. Харитона, а 17 мая следующего года в присутствии Императрицы - главный. Часть икон происходила из прежнего иконостаса, часть написали И.Я. Вишняков и М.Л. Колокольников. Однако 27.III.1750 храм полностью сгорел от упавшей свечки; удалось спасти лишь иконостас из придела, петровские реликвии и часть утвари.
Вначале было решено выстроить совершенно новый храм, и Б. Растрелли даже составил его проект, но Императрица велела использовать освященную в 1725 г. деревянную церковь, которая при постройке третьего Летнего дворца (на месте Михайловского замка) была разобрана, но сохранена. Зимой 1743 г. ее перевезли на место и стали собирать по проекту С. А. Волкова, воспроизводя прежний вид Троицкого храма, но без придела. Сруб при этом был сделан двойным. 1.VI.1756 восстановленный собор с новым трехъярусным иконостасом был торжественно освящен. Императрица Елизавета Петровна пожертвовала ему шитую золотом бархатную сень.
В 1802-1805 г. Л. Руска капитально отремонтировал собор, но он был сильно поврежден наводнением 1824 года, после чего устранением повреждений руководил арх. П.С. Филиппов. Следующий крупный ремонт был проведен в 1875-1876 гг. арх. Е.Е. Аникиным, который подвел под постройку новый фундамент и выстроил часовни. Дополнительные образа для храма написал акад. А.Е. Бейдеман. В 1858-1859 гг. староста купец М.К. Низовцев сделал на свои средства серебряную одежду для престола и бронзовую гробницу для плащаницы.
В 1889 г. причт предложил выстроить в ограде новую церковь Греческой Божией Матери по проекту Г.И. Карпова и П.А. Григорьева, но денег на нее собрать не удалось. На бумаге осталась и выдвинутая в 1896 идея возвести трехпридельный храм в ознаменование 200-летия столицы. Юбилей собора почти совпал с этой датой и праздновался 22.Х.1903 при участии митрополита Антония и о. Иоанна Кронштадтского.
С 1868 г. в храме хранилась самая большая его святыня - икона Греческой Божией Матери, написанная, по преданию, евангелистом Лукой и привезенная в 1821 г. в Россию из разрушенного турками греческого монастыря Монемвасия. Она стояла слева от алтаря, на особом мраморном возвышении, в устроенном в 1908 по проекту Н.Ф. Романченко небольшом приделе преподобного Нила Столобенского, освященного 25 сентября 1908 года местным благочинным протоиереем Александром Кашинским. В ее честь 12 мая служилась литургия с водосвятием, собиравшая множество народа.
Имелись в соборе и другие чтимые образа: свт. Николая, изображенного в кольце, отчего он именовался в народе Николай-Обручник, прп. Нила Столобенского в житии (1778) с частицей его мощей, мощевая икона апостола Андрея Первозванного и Новодворской Божией Матери, перед которой служили молебны при вселении в новый дом. В память о коронации Их Величеств в 1896 в соборе была устроена икона со вделанным в нее крестом-мощевиком. Об истории здания напоминали две бронзовые доски, повешенные в притворе.
Кроме святынь, в храме хранились и ценные художественные произведения: пальмовый крест XIV века с Афона с изображением жизни Спасителя, подаренный молдавскому господарю Кантемиру, золоченая серебряная утварь и напрестольное Евангелие в богатом окладе работы А. Бланкенштейна, ряд старинных образов из московских церквей. Особое место занимали вещи, сделанные самим Петром: небольшой резного мрамора образ Благовещения, паникадило из слоновой кости, коробочка для ладана и бывшее с царем в Азовском походе стрелецкое знамя.
В 1873 г. при соборе было открыто благотворительное общество, содержавшее богадельню и ясли. В праздник Рождества Божией Матери по приходу шел крестный ход в воспоминание о холере 1892 года.
Более полувека, с 1785, прослужил в храме прот. Никита Захарович Захаров, снискавший уважение прихожан подвижнической жизнью, а последним перед революцией настоятелем был прот. Иоанн Андреевич Савинский.
В ночь на 7 февраля 1913 собор сильно пострадал от пожара: сгорели купол и крыша, притвор и колокольня. Через две недели Синод объявил о сборе средств на сооружение «нового величественного храма, соответствующего значению и достоинству столицы». Состоялся конкурс, на который видные зодчие представили свои проекты, кто «в суздальском стиле», кто «на две сажени выше Исаакия», кто в подражание Успенскому собору в Москве. Был создан строительный комитет во главе с Вел. Кн. Иоанном Константиновичем, но ведавшее охраной памятников Императорское археологическое общество решительно воспротивилось всем этим замыслам и предложило не отдавать сгоревший храм Шамординскому подворью в Стрельне, а бережно восстановить его «как историческую святыню... символ современной русской Империи».
Погоревший собор был покрыт временной крышей; службы проходили в деревянном двухпрестольном храме, освященном 22.ХII.1913 митрополитом Владимиром. Он простоял до конца 1927 года и был копией сгоревшего, воссозданной А.П. Аплаксиным; в него из поврежденного здания перенесли отреставрированный иконостас и утварь. Новые колокола отлил Валдайский колокольный завод, плафон в этом временном здании написал С.Т. Шелков.
Реставрация собора из-за революции началась только в 1924 и шла под руководством Е.И. Катонина на деньги прихожан. 17.Х.1926 восстановленный храм был освящен архиепископом Алексием, восстановленный придел прп. Нила Столобенского был освящен в 1928 году епископом Шлиссельбургским Григорием (Лебедевым).
Закрыт он 15.VIII.1933 (решение Облисполкома от 7.VI.1933) и через два месяца безжалостно снесен, хотя числился под охраной как уникальный памятник архитектуры. Часть икон из собора поступила в Русский музей. Освободившееся место занято разбитым после войны сквером.
