Крепость Тетюши (Тетюшская застава) была построена в 1574-1578 годы (по другим сведениям — в 1555-1557 годы) на правом берегу реки Волги. С самого начала здесь находилась приходская церковь.
Каменный Троицкий собор города Тетюши — первое каменное здание города, построенное в 1773-1777 годы на средства местного помещика А.В. Страхова. Правый придел храма был освящен в честь Казанской иконы Божией Матери, левый — во имя святителя и чудотворца Николая.
В 1780 году Тетюши стали уездным городом Казанской губернии, храм получил статус собора. Однако современный Троицкий собор мало напоминает храм XVIII века. Он перестраивался и расширялся несколько раз: в 1828-1832 годах по проекту архитектора Петра Григорьевича Пятницкого на казенные средства, в 1877 году — на средства тетюшских купцов Павла Васильевича Серебрякова и Александра Михайловича Колсанова (приделы были выстроены заново). В 1896 году на средства самого собора была построена новая колокольня, к сожалению, не сохранившаяся. В результате довольно крупный храм XVIII века приобрел формы и декор, характерные для конца XIX века — в духе эклектики национально-романтического направления.
В 1930-х годах храм был закрыт советской властью и подвергся разорению — полностью был уничтожен алтарь, разрушена колокольня и её фундамент, уничтожены купола и церковная ограда.
С 1950-х годов здание храма занимала Тетюшская автошкола ДОСААФ, пространство храма было перекрыто в два этажа, уничтожена старинная роспись, здание приспосабливалось под нужды курсантов.
В 1989 году Троицкий собор был возвращен верующим. В 1889-1990 годы была проведена реконструкция, выстроена новая апсида и отдельно стоящая колокольня. Собор заново освящен архиепископом Казанским и Марийским Анастасием 30 сентября 1990 года.
Главной святыней собора была древняя икона святителя Николая Чудотворца, которую местные жители, особенно чуваши и мордва, почитали как чудотворную. Она попала в монастырь из Никольского монастыря, основанного в середине XVI века недалеко от места, где позже возник город. Этот монастырь был уничтожен войском лжецаревича «Петра Федоровича» в 1606 году.
Храм является памятником архитектуры, отражающим наслоения стилей от барокко до псевдорусского направления эклектики.