На епархиальном собрании духовенства Камчатской епархии 9 августа 1999 года было решено построить собор, и утверждён проект архитектора Олега Лукомского. Строительство началось в сентябре 2001 года. В июне 2002 года, в день Святой Троицы, в основание храма заложили стальную капсулу с мощами святых мучеников Антония, Евстафия и Иоанна, а также закладную грамоту. Основные строительные работы завершились к сентябрю 2010 года. Для росписи собора пригласили мастеров-иконописцев из Волгодонска и Сергиева Посада под руководством Александра Таничева, члена Союза художников России. Роспись выполнена в древнерусском стиле минеральными красками, что обеспечивает долговечность фресок. Всего было изображено около 200 библейских и евангельских персонажей. Иконографией занимался архитектор и иконописец Игорь Мясников. 19 сентября 2010 года патриарх Московский и всея Руси Кирилл освятил собор, подарив икону святой Матроны Московской и частицу её мощей. В 2015 году был освящён придел Артемия Веркольского.

Согласно проекту, нижняя часть храма станет концертным залом. Здесь планируется роспись сцен из истории православия на Камчатке, начиная с первых миссионеров и значительных исторических событий, таких как победа над англо-французской эскадрой в 1854 году. На стенах зала будет изображена вся история Камчатки.

Изначально строительство финансировалось за счёт пожертвований прихожан, физических лиц, включая Владимира Путина и патриарха Алексия II, юридических лиц и благотворительных фондов. Позже финансирование проекта взяла на себя компания «Газпром».