У жовтні 1797 року з благословення митрополита Катеринославського і Херсонес-Таврійського Гавриїла (Бодони) на Привозній площі недавно заснованого Катеринослава (перша назва Дніпропетровська) було освячено місце під будівництво нового храму. Купецьке суспільство виділило і спеціальну комісію зі спостереження над будівництвом і збору коштів. Церква була освячена в ім'я Зішестя Святого Духа, але неофіційно за нею надовго закріпилося ім'я купецької.
До 1830-м року Духосошественская церква сильно занепала. Петербурзькі архітектори Людвіг Шарлеман-Боде і Петро Вісконті, які спроектували Успенський храм Катеринослава, одночасно виконали і проект нової купецької церкви. Хоча кращі досягнення цих майстрів пов'язані з архітектурою класицизму, в їх катеринославських спорудах проступають риси нової спрямованості, а саме так званого російсько-візантійського стилю: підкреслена монументальність, деяка ваговитість і масивність головного обсягу, характерне п'ятиглав'я з діагональним розміщенням чотирьох менших глав навколо розвиненій центральній та т.д.
У 1837 році на схід від дерев'яної церкви Святого Духа освятили місце під новий храм. Але будівництво Троїцького церкви за цим планом виявилося не до снаги місту, де тільки нещодавно завершилося будівництво Преображенського собору і велося спорудження нового Успенського храму. Тільки в 1845 році лісопромисловець Федір Дупленко виділив 3 000 рублів, на які було закладено фундамент. Потім будівництво знову призупинилося через фінансові труднощі - Ф. Дупленко виявився на межі розорення, однак йому вдалося поправити свої справи. На будівництво храму меценат передав 100 000 рублів (залишається невідомим, чи зробив він це за життя або кошти були передані після смерті промисловця в 1848 році від холери).
Дата завершення будівництва і освячення Свято-Троїцького храму залишається невідомою - в джерелах вказуються різні дати від 1848 до 1855 року. За своїм значенням Троїцька церква вважалася третьою в місті після Преображенського собору та Успенської церкви. Це була купецька церква, так як вона перебувала в районі, де в основному селилися багаті купецькі сім'ї. Новий храм значно поступався Успенському в розмірах і пристрої і сильно відрізнявся від свого сучасного вигляду: не було ні дзвіниці, ні меж, що з'єднує її з храмом, ні службових корпусів, ні кованої огорожі - все це прибудували пізніше.
У храмі були три престоли: правий присвячений Казанської ікони Божої Матері, лівий - святому апостолу Андрію Первозванному, а центральний освячений на честь Животворящої Трійці. Три престолу нової церкви дали імена трьом міським вулицям: Первозванівській (нинішня вул. Короленка), Троїцької (вул. Червона), Казанської (вул. Карла Лібкнехта), а також Троїцької площі (пл. Червона).
У 1860-х роках перед церквою за проектом місцевого архітектора будується велика кам'яна дзвіниця, яка була найвищою спорудою в Катеринославі того часу. Трохи пізніше, в кінці ХІХ століття, між дзвіницею і храмом будується з'єднувальний боковий вівтар, майже вдвічі збільшив площу церкви. Будівля стало єдиним архітектурним цілим. Меценатом цих будівель виступив купець Андрій Кирпичников і його спадкоємці, які виділили для цього 15 000 рублів.
В кінці першого десятиліття XX століття в церкві починаються великі ремонтні роботи. Для написання нових ікон і фресок в 1909 році був запрошений видатний український живописець Іван Їжакевич.
У 20-х роках XX століття в Троїцький храм була перенесена кафедра правлячого єпископа - у зв'язку із захопленням Преображенського собору автокефалістами. У 1934 році Троїцький собор був закритий «через відсутність прихожан». Скинули дзвони, зірвали хрести; в огорожі храму розмістили численні магазини, майстерні, склади, а саму церкву розділили на два поверхи і пристосували під склад. Перепади температур, бруд, безгосподарність нанесли непоправної шкоди внутрішньому оздобленню собору і найбільше його розписам.
У листопаді 1941 року, під час німецької окупації, в соборі відновили архієрейську кафедру і богослужіння, які з тих пір ніколи не припинялися. У 1942 року на Катеринославську кафедру був призначений єпископ Димитрій (Маган). Протягом 1942 року по проекту Володимира Самодрига новий собор відремонтували зовні, хоча далеко не повністю через відсутність коштів: повісили дзвони, обштукатурити і вибілили стіни, знову пофарбували в зелений колір купола і повернули на них золоті хрести. Усередині встигли розібрати перекриття і розчистити зафарбовані розпису.
З 1944 року церковна громада займається відновленням і ремонтом собору. Приблизно в цей же час відбувається реорганізація Дніпропетровської єпархії, і собор знову стає кафедральним. Таке підвищення статусу собору дозволило почати капітальні реставраційні роботи. У 1944 році єпархіальним архієреєм був призначений архієпископ Андрій (Комаров), могила якого знаходиться на території Троїцького собору.
У 1960 році настоятелем собору після повернення із заслання був знаменитий сповідник і духівник XX століття архімандрит Серафим (Тяпочкін), який починав своє пастирське служіння в Катеринославській губернії в 1920 році.
У 1985-1987 роках собор прикрашається великими паникадилами у всіх куполах, встановлюються нові позолочені хрести, споруджуються металеві огорожі вздовж алей.
працями Іриней, митрополит Дніпропетровський і Павлоградський (Середній Іван Петрович) , Який очолює єпархію з 1993 року, і настоятеля протоієрея Володимира Аксютіна в останні роки проведена капітальна реконструкція собору, повністю оновлено фасад храму, перекрито дах, оновлені купола, встановлені нові вікна і гранітні підвіконня.
Восени 2009 року один з куполів головного храму Дніпропетровська засяяв золотом: першим з шести зелених куполів кафедрального собору позолотою покрили центральний. Влітку 2010 року до приїзду Святішого Патріарха Московського і всієї Русі Кирила була проведена повна реставрація фасаду Свято-Троїцького кафедрального собору: позолочений купол дзвіниці, оновлені хрести і пофарбовані інші купола, пофарбовані стіни, відновлена ліплення, оновлені фасадні ікони.
На території собору знаходиться невеликий некрополь - місце поховання єпархіальних архієреїв і священнослужителів. Архієпископ Андрій (Комаров), архієпископ Варлаам (Іллющенко), єпископ Кронід (Міщенко); колишні настоятелі собору: протоієрей Володимир Капустянський, протоієрей Костянтин Огієнка; творці храму: Федір Дупленко та Андрій Кірпічніков; інші священнослужителі і благодійники знайшли свій останній притулок під стінами собору. Під час перших бомбувань міста, в 1941 році, у двір собору з довколишніх вулиць були принесені тіла загиблих городян, які були поховані в братській могилі праворуч від центральних воріт.
У соборі знаходяться місцевошанованих святині: ікона «Плаче Спаситель», ікони Божої Матері «Іверська», «Достойно єсть», «Самарська». Особливо шанована реліквія - хрест-мощевик з частками мощей Хрестителя Господнього Іоанна, святих апостолів і євангелистів Матея, Луки, Марка, святої праведної Анни, великомученика і цілителя Пантелеймона, святого великомученика Феодора Стратилата, святого мученика Антипа, святої великомучениці Катерини, святого благовірного князя Олександра Невського. Також для прочан доступні мощевик з 12-ю частками мощей Оптинський старців (дар Оптиної Пустелі), ікона Святої Трійці з часткою кори Мамврийского дуба, а також стародавні реліквії: іконостас Казанського собору і гробниця зі Свято-Миколаївського (Брянського) собору.
