Троице-Измайловский собор представляет собой огромное четырехкупольное здание с четырьмя белыми коринфского ордера портиками и вмещает более 3 000 человек. Его голубой купол, усыпанный золотыми звездами, виден за 20 км от города. Этот просторный величественный храм являлся главной гарнизонной церковью Санкт-Петербурга. Чисто военный храм не был богат православными святынями, но в нем хранились боевые трофеи, взятые у турок во время освободительной войны 1877-1878 гг. В этой войне русская армия под предводительством Александра II освободила балканских христиан от османского ига. В память Русско-турецкой войны 1877—1878 годов 12 октября 1886 года у здания собора был открыт Памятник Славы, созданный по проекту Д. И. Гримма из 108 трофейных турецких пушек, составленных в пять ярусов. Колонну венчает фигура Славы работы П. И. Шварца. Памятник был снесен в 1930 г. как «символ российского милитаризма», к тому же мешающий трамвайному движению. Восстановлен он в 2005 году.
Престольный праздник собора - день Пресвятой Троицы. В этот день на соборной площади происходил парад с окроплением знамен святой водой. Ежегодно 12 октября, в присутствии всего полка, служили заупокойный молебен по измайловцам, павшим в кровопролитном бою при Горном Дубняке (Болгария). Этот бой решил участь турецкой крепости Плевна.
После закрытия храма в 1932 г. был составлен план о размещении в его стенах крематория, к счастью не состоявшийся. Долгое время здание было складским помещением, не отапливалось и постепенной приходило в ветхость, не смотря на толстые стены. Летом 1990 г. собор был возвращен верующим. 25 августа 2006 года произошло возгорание строительных лесов, установленных для реставрации купола собора, переросшее в сильный пожар. В результате пожара произошло обрушение внешних конструкций большого купола собора на внутренний свод. От огня пострадали также два малых купола, уже отреставрированных к июню 2007 года. В конце 2007 года были завершены работы на малом северном куполе и ликвидация последствий пожара. В главном куполе собора были проведены подготовительные работы, монтаж конструкций из клееного бруса, которые стали основой главного купола. Весной 2008 года началась роспись храма. В течение 2008 года производился монтаж каркаса центрального купола собора. 9 октября 2008 года состоялся чин освящения креста и его установка на центральный купол.