Троицкий собор расположен на территории города Валдай. Дата основания неизвестно. Сохранившиеся данные сообщают, что собор изначально был деревянным и неоднократно был поврежден пожарами.
Троицкий собор возводился на пожертвования горожан и был освящен в 1744 году, а в 1772 году церковь стала именоваться собором. В приход Троицкого собора входила половина города Валдая и 11 деревень.
На протяжении 17-19 веков храм часто горел в пожарах, после чего собор претерпевал реставрационные работы и видоизменялся. В 1803 году к Троицкому собору были пристроены два предела: южный в честь Параскевы-Пятницы и северный освященный во имя Тихвинской иконы Божией Матери.
В 1837 году была перестроена колокольня, возведенная в 18веке из-за большой трещины в стене. На месте прежней колокольне была построена новая в «греческом стиле». В нижнем ярусе находился Праздничный колокол, а в верхнем - Воскресный.
В 1851 году проводились масштабные работы по реконструкции помещений собора. Был заново позолочен иконостас, росписи на стенах обновлены.
6 августа 1854 года во время крестного хода, провожавшего Иверскую икону Божией Матери в монастырь, в Троицком соборе разгорелся пожар, в результате которого сгорела крыша и сильно пострадала колокольня, иконостас и много икон.
В 1930 годы Троицкий собор был закрыт. С 1941-1943 годы в храме располагался дом Красной Армии. В послевоенный период в помещении собора находился Дом культуры. В 1997 году начался добровольный сбор средств на восстановительные работы Троицкого собора. В 2000 году на Троицкой колокольне появились часы, средства на них собирали жители города Валдая.