В октябре 1797 года по благословению митрополита Екатеринославского и Херсонес-Таврического Гавриила (Банулеску-Бодони) на Привозной площади недавно основанного Екатеринослава (первое название Днепропетровска) было освящено место под строительство нового храма. Купеческое общество выделило и специальную комиссию по наблюдению над строительством и сбору средств. Церковь была освящена во имя Сошествия Святого Духа, но неофициально за ней надолго закрепилось имя купеческой.
К 1830-м года Духосошественская церковь сильно обветшала. Петербургские архитекторы Людвиг Шарлеман-Боде и Петр Висконти, которые спроектировали Успенский храм Екатеринослава, одновременно выполнили и проект новой купеческой церкви. Хотя лучшие достижения этих мастеров связаны с архитектурой классицизма, в их екатеринославских сооружениях проступают черты новой направленности, а именно так называемого русско-византийского стиля: подчеркнутая монументальность, некоторая тяжеловесность и массивность главного объема, характерное пятиглавие с диагональным размещением четырех меньших глав вокруг развитой центральной и т.д.
В 1837 году восточнее деревянной церкви Святого Духа освятили место под новый храм. Но строительство Троицкого церкви по этому плану оказалось не по силу городу, где только недавно завершилось строительство Преображенского собора и шло возведение нового Успенского храма. Только в 1845 году лесопромышленник Федор Дупленко выделил 3 000 рублей, на которые был заложен фундамент. Затем строительство вновь приостановилось из-за финансовых трудностей — Ф. Дупленко оказался на грани разорения, однако ему удалось поправить свои дела. На строительство храма меценат передал 100 000 рублей (остается неизвестным, сделал ли он это при жизни или средства были переданы после смерти промышленника в 1848 году от холеры).
Дата завершения строительства и освящения Свято-Троицкого храма остается неизвестной — в источниках указываются разные даты от 1848 до 1855 года. По своему значению Троицкая церковь считалась третьей в городе после Преображенского собора и Успенской церкви. Это была купеческая церковь, так как она находилась в районе, где в основном селились богатые купеческие семьи. Новый храм значительно уступал Успенскому в размерах и устройстве и сильно отличался от своего современного вида: не было ни колокольни, ни придела, соединяющего ее с храмом, ни служебных корпусов, ни кованой ограды — все это пристроили позже.
В храме были три престола: правый посвящен Казанской иконе Божией Матери, левый — святому апостолу Андрею Первозванному, а центральный освящен в честь Животворящей Троицы. Три престола новой церкви дали имена трем городским улицам: Первозвановской (нынешняя ул. Короленко), Троицкой (ул. Красная), Казанской (ул. Карла Либкнехта), а также Троицкой площади (пл. Красная).
В 1860-х годах перед церковью по проекту местного архитектора строится большая каменная колокольня, которая являлась самым высоким сооружением в Екатеринославе того времени. Немного позже, в конце ХІХ века, между колокольней и храмом строится соединительный придел, почти вдвое увеличивший площадь церкви. Здание стало единым архитектурным целым. Меценатом этих построек выступил купец Андрей Кирпичников и его наследники, выделившие для этого 15 000 рублей.
В конце первого десятилетия XX века в церкви начинаются большие ремонтные работы. Для написания новых икон и фресок в 1909 году был приглашен выдающийся украинский живописец Иван Ижакевич.
В 20-х годах XX столетия в Троицкий храм была перенесена кафедра правящего епископа — в связи с захватом Преображенского собора автокефалистами. В 1934 году Троицкий собор был закрыт «из-за отсутствия прихожан». Сбросили колокола, сорвали кресты; в ограде храма разместили многочисленные магазины, мастерские, склады, а саму церковь разделили на два этажа и приспособили под склад. Перепады температур, грязь, бесхозяйственность нанесли непоправимый вред внутреннему убранству собора и более всего его росписям.
В ноябре 1941 года, во время немецкой оккупации, в соборе возобновили архиерейскую кафедру и богослужения, которые с тех пор никогда не прекращались. В 1942 года на Екатеринославскую кафедру был назначен епископ Димитрий (Маган). В течение 1942 года по проекту Владимира Самодрыги новый собор отремонтировали снаружи, хотя далеко не полностью из-за отсутствия средств: повесили колокола, оштукатурили и выбелили стены, вновь покрасили в зеленый цвет купола и вернули на них золотые кресты. Внутри успели разобрать перекрытия и расчистить закрашенные росписи.
С 1944 года церковная община занимается восстановлением и ремонтом собора. Приблизительно в это же время происходит реорганизация Днепропетровской епархии, и собор снова становится кафедральным. Такое повышение статуса собора позволило начать капитальные реставрационные работы. В 1944 году епархиальным архиереем был назначен архиепископ Андрей (Комаров), могила которого находится на территории Троицкого собора.
В 1960 году настоятелем собора после возвращения из ссылки был знаменитый исповедник и духовник XX столетия архимандрит Серафим (Тяпочкин), который начинал свое пастырское служение в Екатеринославской губернии в 1920 году.
В 1985-1987 годах собор украшается большими паникадилами во всех куполах, устанавливаются новые позолоченные кресты, сооружаются металлические ограждения вдоль аллей.
Трудами митрополита Днепропетровского и Павлоградского Иринея (Середнего), возглавляющего епархию с 1993 года, и настоятеля протоиерея Владимира Аксютина в последние годы проведена капитальная реконструкция собора, полностью обновлен фасад храма, перекрыта крыша, обновлены купола, установлены новые окна и гранитные подоконники.
Осенью 2009 года один из куполов главного храма Днепропетровска засиял золотом: первым из шести зеленых куполов кафедрального собора позолотой покрыли центральный. Летом 2010 года к приезду Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Кирилла была проведена полная реставрация фасада Свято-Троицкого кафедрального собора: позолочен купол колокольни, обновлены кресты и окрашены остальные купола, окрашены стены, восстановлена лепка, обновлены фасадные иконы.
На территории собора находится небольшой некрополь — место захоронения епархиальных архиереев и священнослужителей. Архиепископ Андрей (Комаров), архиепископ Варлаам (Ильющенко), епископ Кронид (Мищенко); бывшие настоятели собора: протоиерей Владимир Капустянский, протоиерей Константин Огиенко; создатели храма: Федор Дупленко и Андрей Кирпичников; другие священнослужители и благотворители нашли свой последний приют под стенами собора. Во время первых бомбежек города, в 1941 году, во двор собора с близлежащих улиц были принесены тела погибших горожан, которые были похоронены в братской могиле справа от центральных ворот.
В соборе находятся местночтимые святыни: икона «Плачущий Спаситель», иконы Божией Матери «Иверская», «Достойно есть», «Самарская». Особо чтимая реликвия — крест-мощевик с частицами мощей Крестителя Господня Иоанна, святых апостолов и евангелистов Матфея, Луки, Марка, святой праведной Анны, великомученика и целителя Пантелеимона, святого великомученика Феодора Стратилата, святого мученика Антипы, святой великомученицы Екатерины, святого благоверного князя Александра Невского. Также для богомольцев доступны мощевик с 12-ю частицами мощей Оптинских старцев (дар Оптиной Пустыни), икона Святой Троицы с частицей коры Мамврийского дуба, а также древние реликвии: иконостас Казанского собора и гробница из Свято-Николаевского (Брянского) собора.
