Троицкий собор основан в 1697 г. на месте Осташковской крепости, построенной в 1651 году. На протяжении 2-х столетий храм неоднократно перестраивался и реставрировался. В 1774 году церковь украсили барочной лепниной и росписью. В середине XIX века живопись была обновлена Осташковским живописцем Абабковым. При реставрации собора была снята поздняя штукатурка и из-под нее проступили первоначальные каменные узоры. По сохранившимся следам, по аналогии близких Памятников, реставраторы восстановили здание. Теперь в соборе размещается Осташковский краеведческий музей.
Колокольня Троицкого собора стоит отдельно от храма. До сих пор не установлена дата ее постройки. Стилистический анализ ее архитектурных форм позволяет утверждать, что оно относится к 40-50-ым годам XVIII века.

Во II половине XVIII века после очередного ремонта, Троицкий собор был расписан и украшен лепниной, выполненной, по-видимому, осташкоскими мастерами Кондратием Семеновичем Конягиным, Ильей Михайловичем Вердиным и Семеном Уткиным Еремеевым. По своим размерам и композиции Троицкий собор почти не отличается от Воскресенского. Однако четверик храма получил более стройные пропорции, а декор стал наряднее. Наибольшие изменения барабана стали чуть уже, плотнее поставлены друг к другу кокошники на углах четверика, так что угловое украшают сразу 2 фасада. Подобный прием размещения кокошников использовали несколько раньше в церквах Москвы, Замосковья, Ярославля и Торопца.

Троицкий собор был расписан во второй половине XVIII столетия местными осташковскими живописцами. Патриарх и Иосифо-Волоколамский монастырь назначали настоятелей.