Собор имеет богатую историю. В 1867 году в Троице-Измайловском соборе состоялась церемония венчания русского писателя Ф. Достоевского и его избранницы - А. Сниткиной. Здесь отпевали композитора Рубинштейна, молились воины лейб-гвардейского Измайловского полка.
После революции 1917 года Троице-Измайловский собор был разграблен и закрыт для богослужений. Высокий золочёный иконостас и образа кисти известных художников-академистов погибли после закрытия храма в 1938 году. В 1930-е годы был разработан план, по которому в соборе предполагалось устроить крематорий, однако, к счастью, он не был претворён в жизнь. Долгое время помещение собора использовалось как склад, что нанесло архитектурному сооружению серьезный ущерб. В 1990 году Измайловский собор был возвращен верующим, в нем возобновились службы, однако реставрационные работы продолжаются в храме до сих пор.