Брянский кафедральный собор, известный как Новопокровский, был разрушен в 1968 году. После восстановления епископской кафедры в Брянске возникла необходимость строительства нового собора. 30 мая Патриарх Алексий II дал благословение на его возведение, и в 2006 году началось строительство. В декабре 2011 года были освящены престолы нижнего яруса собора. 24 мая 2012 года, в праздник Вознесения Господня и день памяти святых Кирилла и Мефодия, в верхнем ярусе собора прошла первая Божественная литургия под руководством епископа Брянского и Севского Александра.

1 июля 2012 года Патриарх Московский и всея Руси Кирилл провёл чин великого освящения престола верхнего яруса собора. Величественное здание храма стало духовной и эстетической доминантой Брянска, возвышаясь над его холмами и преображая городскую панораму. В память о значении Троице-Сергиевой Лавры в истории России и Русской Церкви новый собор был посвящён Святой Живоначальной Троице, особо почитаемой преподобным Сергием Радонежским.

В 2004 году епархии был выделен участок земли для строительства в центре Брянска, рядом с храмом Воскресения Христова. Эта территория ранее принадлежала древнему Воскресенскому девичьему монастырю. Проект собора разработал молодой ставропольский архитектор Виктор Викторович Аксёнов, работающий в традициях древнерусского зодчества. Он использует современные конструкции, соответствующие сегодняшним требованиям, при этом сохраняя эстетику старинных храмов. Собор представляет собой трёхнефное восьмистолпное сооружение длиной 33 метра и шириной 27 метров. Современные технологии позволили создать круглые и тонкие столпы, что делает помещение просторным. Шесть куполов, каждый весом более 10 тонн, были изготовлены в Волгодонске и доставлены в Брянск в разобранном виде. В декабре 2011 года освящены престолы нижнего яруса: главный в честь иконы Божией Матери Свенской, правый во имя князя Олега Брянского, левый во имя святителя Феофилакта. Освящение провёл епископ Брянский и Севский Феофилакт.

23 июня 2012 года мощи князя Олега Брянского были перенесены из храма Воскресения Христова в Троицкий собор. Церемонию возглавил епископ Брянский и Севский Александр. Губернатор Брянской области Н. В. Денин передал собору список иконы Свенской Божией Матери конца XVIII века.

Троицкий собор стал крупнейшим храмом Брянской области. Площадь нижнего яруса составляет 1000 квадратных метров, верхнего, 882. Высота собора достигает 58 метров, и он может вместить до трёх тысяч прихожан. В комплекс входит колокольня "Пересвет" высотой около 71 метра, спроектированная брянским архитектором Ольгой Грозевой. Самый большой колокол, 16-тонный "Пересвет", был изготовлен в Тутаеве и освящён в Троице-Сергиевой Лавре в 2010 году.

16 декабря 2011 года под колокольней был установлен бронзовый памятник монаху-воину Александру Пересвету, участнику Куликовской битвы. В 2012 году скульптуру переместили на несколько метров. Памятник, созданный московским скульптором Александром Алексеевичем Смирновым, дополняет облик собора. В 2007-2008 годах он также занимался росписью интерьеров этого величественного храма.