Храм возведён в 30-х годах XVI века в честь рождения первого русского царя Ивана Грозного. После домонгольского Спасо-Преображенского собора это самая древняя церковь Переславля. Здесь находится рака с мощами основателя Свято-Троицкого Данилова монастыря преподобного Даниила.

Говорят, однажды великий князь Московский Василий III, взглянув на гнездо с птенцами, горько расплакался: «Кому править после меня в земле Русской? – скорбно спрашивал он у своих ближних. – Братьям моим? Но они и со своими делами управиться не могут!..» 42-летнему государю не давала покоя его бездетность. За долгие годы брака с Соломонией Сабуровой дети у них так и не появились. Тогда, по совету приближённых, он решил жениться во второй раз, а Соломонию, против её воли, отправили в монастырь. Но и новой жене, Елене Глинской, долго не удавалось родить. Ни лекари, ни священники, ни поездки по монастырям, ни усердные молитвы не помогали.

Осенью 1529 года княжеская чета отправилась в паломничество в Кирилло-Белозерскую обитель, чтобы молиться о даровании им ребёнка. По дороге заехали в Переславль к настоятелю Данилова монастыря преподобному Даниилу, которому князь помог построить на месте скудельницы церковь и обустроить вокруг неё монастырь. Во время своего посещения обители Василий III попросил игумена молиться об их беде и дал обет – если Бог подарит ему наследника, то он построит в монастыре храм. Спустя год в княжеской семье рождается мальчик, которого нарекли Иоанном.

Князь обещание сдержал и заложил Троицкий собор с приделом Иоанна Крестителя – небесного покровителя новорождённого.

В середине XVII века к собору была пристроена церковь над местом захоронения основателя монастыря Даниила, тогда же прославленного в лике святых.

В 1662 году собор расписала знаменитая артель Гурия Никитина. Костромские мастера трудились шесть лет. Летом 1668 года великолепный ансамбль фресок, покрывавших сплошным ковром стены, столбы и своды собора, был завершён. При этом известно, что своды расписал сам Никитин, а необыкновенно выразительный образ Христа Вседержителя в куполе создал его старший товарищ и один из лучших мастеров артели Сила Савин. Храмовая живопись также рассказывает об Иоанне Крестителе и о явлении Святой Троицы старцу Аврааму.

Редкий случай, но древним фрескам, как и самому собору, удалось уцелеть в тяжёлые для Русской Церкви времена расколов, войн и богоотступничества.

В 1996 году вернулась на своё место главная святыня собора – рака с мощами преподобного Даниила. Попросить молитв у основателя Троицкой обители ежедневно приезжают сотни паломников.