Далее, по преданию, «как денежная казна истощилась, строители же других средств к окончанию предпринятой постройки храма не могли найти, то просили царей оказать денежное вспомоществование от казны». По указу соправителей Иоанна и Петра Алексеевичей и царевны Софьи Алексеевны в 1688 году «из Новгородского приказа в Приказ большой казны велено: соликамскому земскому старосте Дмитрию Емельянову с товарищами и мирским людям дать великих государей жалованье на строение соборной церкви двести рублей из тамошних таможенных и кабацких доходов». По тем временам, когда изба стоила менее рубля, сумма была немалая, ее хватило на достройку храма и на его убранство.

В память о царском жаловании в специальное углубление в южной стене Троицкого храма был вставлен круглый изразец с изображением государственного герба — двуглавого орла. А на западном фасаде выложили из кирпича рельефную корону. Корона эта на белом поле здания была неприметна, и в 1849 году при поправке собора ее раскрасили, чтобы была виднее. В настоящее время можно увидеть только корону, изразец был уничтожен после февральской революции 1917 года как символ царской власти.

Престолов в Святотроицком соборе было три: главный — во имя Святой Троицы — освящен 28 июня 1697 года, южный — во имя Иоанна Предтечи — освящен в 1689 году и западный — во имя святителя Николая — освящен 17 июля 1693 года. Даты закладки собора и окончательного освещения были выбиты на каменной доске, вставленной снаружи в алтарную стену, до нашего времени не сохранившейся.

Собор пятиглавый, имеет квадратную столпообразную форму с уступом на самом верху выше карнизов. Обведен с трех сторон галереей-трапезной, с четвертой — алтарными полукружиями, соединенными друг с другом. В среднем полукружии устроен алтарь главного храма, рядом с ним — алтари приделов, иконостасы которых выходят в галерею, соединенную с главным храмом входными дверьми и арками. Из главного храма древний иконостас перенесен был в начале XIX века в Соликамский мужской монастырь. В соборе вместо него в 1824 году был устроен новый на средства купчихи Прасковьи Ивановны Лапиной-Ентальцевой. По преданию, он представлял собой уменьшенную копию иконостаса Казанского собора в Петербурге. Иконостасы в приделах оставались без изменений, были двухъярусные с витыми колоннами.

Икон «старинной живописи» в Троицком соборе сохранялось две: Святой Троицы и Богоматери, обе в серебряных окладах. В храме находился также образ святителя Николая Чудотворца в складном киоте, пожалованный городу Иваном Грозным. Образ этот был в особом почтении у соликамцев, и перед ним всегда горела неугасимая свеча. Внутренне пространство собора перекрыто сводами, освещается множеством окон. Своды и стены были расписаны, но до нашего времени роспись не сохранилась. Иконостасы также утрачены. Остались только фотографии, сделанные в 1911 году соликамским фотографом Б.И. Чернавиным.

Архитектура храма сохранилась почти полностью. По определению архитектора Г.Д. Канторовича: «Главное в этом соборе — идея движения, взлета, застывшего в камне». Несмотря на то, что здание состоит из разных объемов, он производит впечатление единого целого, устремленного ввысь. Движение начинается от крылец, охватывающих холм, продолжается подъемом боковых приделов и завершается взлетом центрального куба со взметнувшимся пятиглавием.

Богатое узорочье, украшающее стены, делает Троицкий собор неповторимым. Замечателен жучковый орнамент — «прорезная» кирпичная кладка в виде буквы «Ж», поставленной в один ряд. Этот орнамент стал своеобразной визитной карточкой памятников архитектуры Соликамска, он повторяется в карнизах храмов, в колоннах, в оформлении крылец.

Рельефно выступают на гладком фоне белых стен Троицкого собора наличники оконных проемов. Среди них нет одинаковых: колонки и кокошники их различны. Особо выделяется наличник центрального окна алтаря, в виде трехлопастной короны. Под этим окном расположен дверной арочный проем, обрамленный крупным валиком. Вход в подклетную часть алтаря — редкое явление в русском церковном зодчестве. Еще одной особенностью Троицкого собора, связывающей его архитектуру с деревянными постройками, является «бочка» с двускатной крышей на кровле апсиды. По свидетельству архитекторов, она не имеет себе подобных в русском зодчестве.

Замечательны по архитектуре теремные крыльца, ведущие в собор, увенчанные конусообразными шпилями и небольшими куполами. Они также украшены жучковым орнаментом, декоративными бочками, кувшинообразными опорными столбами и подвесными гирьками между сдвоенными арками. Подобная деталь характерна для московских храмов, только там гирьки тесаны из белого камня, а на Троицком соборе гончарной работы с зеленой глазурью. Украшение северного крыльца храма прекрасно дополняет тонкий пояс из ярко-зеленых поливных изразцов с рельефными изображениями павлинов, индюков, воронов. Западное крыльцо не знает аналогов в русской архитектуре XVII века. Его наружные столбы отличаются почти скульптурной отделкой. Устроенные на три схода крыльца подчеркивали центральное место собора в ансамбле города. Южное крыльцо утрачено еще в XIX веке, сейчас на его месте видна лишь дверь.

К стенам Троицкого собора подступала торговая площадь, а в подклете храма и под его крыльцами, в десяти «палатках» с отдельными выходами были устроены склады для хранения купеческих товаров, сдававшиеся в кортом (в аренду). Рядом с собором находилась торговая площадь с гостиными дворами и деревянными торговыми палатками.

В конце XVIII — первой половине XIX века экономика Соликамска переживала глубокий упадок. Город потерял значение крупного торгового центра, Сибирский путь прошел южнее. Многие жители покинули Соликамск, приходы значительно сократились. Троицкий собор в то время сделан приходским храмом, к которому приписали ряд других церквей.

В 1916 году Троицкий собор стал кафедральным — в нем была открыта кафедра викарного епископа — заместителя по управлению частью епархии епископа Пермского. В ведении Соликамского епископа состояло 140 храмов и 8 монастырей. В 1917 году на эту должность был назначен епископ Феофан, за призывы против советской власти принявший мученическую кончину и в настоящее время канонизированный.

Троицкий собор оставался действующим до 1929 года. Попытки закрытия храма предпринимались и ранее этого времени. Сохранилось письмо прихожан в городской совет от 1926 года с просьбой не закрывать собор. Община верующих в то время при храме насчитывала чуть больше сорока человек. Письмо возымело свое действие, еще несколько лет шла церковная служба.

В 1929 году в Соликамске было организовано «Общество воинствующих безбожников». Его члены занимались травлей священников и прихожан и настоятельно рекомендовали властям закрыть в городе все церкви. 4 октября 1929 года решением Президиума Верхнекамского окрисполкома договор с группой верующих по использованию в качестве молитвенного здания Троицкого собора был расторгнут. В акте обследования указывалось на невыполнение верующими обязательств, неимение средств и отказ от ремонта здания. Собор закрыли, общину верующих распустили. Иконостас и настенную роспись уничтожили.

В том же 1929 году в Соликамске обществом краеведов был создан музей и, по обращении его в райисполком, он получил Троицкий собор для размещения своих экспозиций. По воспоминаниям музейщиков того времени, в здании перед ними предстали «выбитые стекла, ободранные стены, замусоренный пол с наметенным на него снегом. Здание требовало простейшего ремонта. В кратчайший срок окна застеклили, стены оштукатурили и побелили». Кроме того, сложили печи, так как храм, рассчитанный на летнее богослужение, отопления не имел. Перепланировки внутреннего пространства здания не делали, первоначально используя его естественное деление.

Через год в бывшем соборе была открыта первая экспозиция, посвященная 500-летию Соликамска. В галерее-трапезной разместилась выставка по истории города из всех наличных на тот момент экспонатов, в главном кубе храма — выставка «За высокий урожай», по сути это была агитка об успехах использования в сельском хозяйстве калийных удобрений.

Позднее, в 1932 году, выставка «За высокий урожай» была преобразована в «Калийный музей союзного значения». Художники-самоучки калийного комбината оформили стенды с фотографиями, диаграммами и схемами, сделали макеты оборудования. Для имитации шахты разобрали пол в углу трапезной и сделали спуск в подклет южного придела. При расширении пола подклета вскрыли свод склепа с захоронением купчихи П.И. Лапиной-Ентальцевой, из которого сделали экспонат, «для прекращения обывательских слухов о найденных нетленных мощах».

В 1938 году экспозицию в Троицком соборе закрыли, как «не отвечающую современным музейным требованиям». Был составлен проект музеефикации, с перепланировкой здания, продумана система освещения и отопления, было заказано современное по тем временам оборудование. В соборе предполагалось разместить экспозицию отдела соцстроительства. В главном кубе храма сделали два перекрытия, устроив три этажа. Но систему отопления смонтировать не успели — началась Великая Отечественная война.

Постановлением Горсовета от 16 августа 1941 года музей приостановил все работы, в штате его остались только директор и сторож. Собор превратился в склад эвакуированных ценностей четырнадцати музеев Советского Союза, в частности: Государственного музея архитектуры, Государственного Русского музея, Государственного музея культур Востока, Государственного театрального музея им. Бахрушина, Государственного музея керамики, Государственного музея изобразительных искусств им. Пушкина и других. После войны и в дальнейшем здание пустовало. В 1960-70-е годы была проведена его реставрация под руководством архитектора Ф.М. Тольцинера. Убраны внутренние перекрытия, расчищены и восстановлены оконные проемы, обновлен декор фасадов.

В 1982 году здание Троицкого собора вновь передано Соликамскому краеведческому музею. С 1992 года в Троицком соборе размещается уникальная экспозиция — «Девятая Пятница», посвященная главному местному празднику Соликамска, берущему начало в XVI веке. Через один день показана целая историческая эпоха, представленная почти тысячью подлинных экспонатов. В экспозиции удачно сочетаются религиозное назначение здания и его современный светский характер. Представлена реконструкция крестного хода, устраивавшегося в день Девятой пятницы, и торговая ярмарка. На месте утраченного иконостаса размещается панно с художественной композицией фрагментов жизни города начала ХХ века (авторы — художники Лемеховы, Санкт-Петербург).

В галерее-трапезной собора в 1992 году теми же художниками была построена выставка «История храма», в 1994 году расширенная до выставки «Соликамские храмы». В настоящее время из-за нехватки помещений, галерея-трапезная используется как выставочный зал отдела истории.

Несколько раз поднимался вопрос о передаче храма верующим, но пока он остается открытым.