Начало строительству каменного верхотурского кремля было положено в 1699 году указами Петра I Алексеевича, а завершились работы к 1703 году. При этом кремль строился комплексно, то есть одновременно или последовательно возводились казенные амбары, приказная изба, воеводские палаты, Троицкий собор, гостиный двор и иные торговые лавки, а также кремлевские башни и стены.
В строительстве кремлевских стен в Верхотурье принимали участие московские мастера во главе с Тимофеем Гусевым и верхотурские «работные люди».
Кремль имел форму неправильного четырехугольника, находившегося в пределах береговой территории реки Тура. Местность, где была размещена верхотурская твердыня, имела название «Троицкий камень» и была приподнята над уровнем берега на более чем 20 метров.
Особенностью кремлевского ансамбля была замена многих участков стен поставленными в ряд или встроенными в стены зданиями. Например, южная стена заменялась амбарами и приказной палатой; западная стена — амбаром-житницей; северо-восточная стена — поварней. В восточную стену кремля был встроен Троицкий собор.
Немецкий естествоиспытатель Иоганн Георг Гмелин старший, путешествовавший по Уралу и Сибири в 1730-1740-е годы, так описывал Верхотурский кремль: «…на Троицком камне располагается маленькая каменная крепость, построенная в форме четырехугольника, и с землей связана через двое ворот. Между этими воротами стоит главная каменная церковь, построенная в хорошем архитектурном стиле; половина ее находится вне крепости. Над нею стоит высокая каменная колокольня, на которой есть часы с боем…»
Также путешественник дает подробное описание располагавшимся на кремлевской территории зданиям, среди которых воеводская канцелярия, каменные хранилища, комплекс гостиного двора и другие.
Центральное положение в верхотурском кремле по сей день занимает Троицкий собор, образец архитектуры «московского барокко». Именно этот собор изображен на открытке из коллекции «Пишу тебе».
Первоначально на месте ныне существующего Троицкого собора стояла деревянная одноименная церковь походно-полевого характера. Строительство каменного Троицкого собора велось одновременно с возведением оборонительных сооружений кремля. Средства на строительство шли напрямую из государевой казны, от Петра I Алексеевича. Сумма казенных денег составила 5253 рубля 93 копейки.
Кроме того, что город Верхотурье играл роль административного, военного и религиозного центра, здесь располагалась таможня, что делало его важным пунктом на пути торговцев из Сибири в центральную часть России и обратно. Новый соборный храм должен был соответствовать статусу поселения.
К строительству церковного здания привлекли московских мастеров, также были приглашены каменщики из Соликамска. Местные жители выступили в качестве их учеников. Троицкий собор освятили в 1709 году, еще до окончания строительных работ.
По архитектурно-планировочным и декоративно-художественным характеристикам верхотурский собор имеет много общего со многими московскими церквям того же периода (например, с церковью Рождества Пресвятой Богородицы в Поярково или с церковью Рождества Пресвятой Богородицы в Путинках), а также с церквями из других мест (например, с Благовещенским собором одноименного монастыря в Муроме или с Благовещенской церковью в Каргополе).
Особенностью нового собора при его постройке было то, что он не имел прихода, то есть за ним не были закреплены определенные жители Верхотурья. Его посещали чиновники, служители различных присутственных мест, военные чины, часто проживавшие в Верхотурье временно по долгу службы. Полноценный приход из постоянных жителей города формируется с XIX века.
В 1738 году при пожаре пострадали деревянные конструкции собора, которые вскоре были восстановлены.
В 1825 году соборная территория была обнесена каменной оградой. Здесь за алтарем было устроено небольшое кладбище, использовавшееся для захоронения соборного духовенства и почетных жителей Верхотурья.
В 1887 г. Троицкий собор получил настенные росписи (автор — московский цеховой мастер В.И. Звездин) и новый четырехъярусный иконостас (начало XVIII века, автор — крестовый иеромонах Тобольского архиерейского дома Иоанн).
В советское время Троицкий собор был закрыт, он постепенно ветшал. В начале 1960-х годов собор был реставрирован, после чего передан Верхотурскому краеведческому музею.
В новейшее время он вновь находится в ведении Русской Православной Церкви и ремонтируется.
Верхотурский кремль свой исторический облик сохранял до начала XIX века. Сегодня исторической (то есть восходящей ко времени возведения) считается только часть восточной кремлевской стены и проездные ворота рядом с Троицким собором. На протяжении XIX века уже на бывшей к тому моменту кремлевской территории строятся здания:
- земского и уездного судов — на месте снесенного воеводского дома;
- присутственных мест, в которых разместились магистрат, дума, сиротский и словесный суды; построено на месте разобранных приказных палат;
- пожарного депо с каланчой — на месте житных амбаров;
- казначейства.
В целом, возведенные взамен приказных изб и воеводских построек новые административные корпуса имели похожий объем и масштаб, что делало их частью архитектурного ансамбля.
В новейшее время территория Верхотурского кремля приобрела культурный и рекреационный характер. Постепенно раскрывается исследовательский и историко-культурный потенциал территории, которая все больше привлекает внимание ученых, профессионалов-реставраторов, туристов и местных жителей, интересующихся историей и архитектурой.
Этому способствуют активные ремонтно-реставрационные работы, которые ведутся здесь в последнее время. Так, например, с 2014 по 2020 годы по региональной программе Свердловской области «Духовные центры Урала» периметр стен и башни Верхотурский кремль были воссозданы в своем историческом облике.
