В 1837 году в Днепре освятили место для будущего Троицкого храма. Однако город, недавно завершивший строительство Преображенского собора и занятой возведением Успенской церкви, не смог начать работы. В 1845 году лесопромышленник Федор Дупленко пожертвовал 3 000 рублей, что позволило заложить фундамент, но вскоре строительство вновь остановилось. Дупленко оказался на грани разорения и прекратил финансирование. Позже его дела улучшились, и до своей смерти в 1848 году он пожертвовал на храм около 100 000 рублей. В 1855 году церковь была завершена и освящена во имя Святой Троицы. Проект разработали петербургские архитекторы Людвиг Шарлеман и Петр Висконти.

Троицкая церковь была меньше и проще Успенской, и сильно отличалась от нынешнего вида. В ней не было колокольни, служебных корпусов и кованой ограды, которые добавили позже. Храм был трехпрестольным: правый придел посвящен Казанской иконе Божьей Матери, левый, святому апостолу Андрею Первозванному, а центральный, Животворящей Троице. Эти престолы дали названия трем городским улицам: Первозвановской (ныне Короленко), Троицкой (до недавнего времени Красная), Казанской (ныне Михаила Грушевского, бывш. К. Либкнехта) и Троицкой площади (до недавнего времени пл. Красная).

В 1862 году перед церковью построили колокольню по проекту местного архитектора. Позже между колокольней и храмом добавили соединительный придел, увеличивший площадь церкви почти вдвое. Финансирование этих работ обеспечили купец Андрей Кирпичников и его наследники, выделившие 15 000 рублей.

В конце XIX века старостой Троицкой церкви стал купец Иван Мартынович Алексеенко. Благодаря его поддержке церковь построила свечную лавку, 12 лавок на Нижне-Троицком базаре, дом причта и церковно-приходскую школу. В конце 1900-х годов начались крупные ремонтные работы. Для создания новых икон и фресок пригласили украинского живописца Ивана Ижакевича, который создал ряд настенных росписей. Особенно выделяются изображения евангелистов и святых на пилонах храма. После смерти Алексеенко в 1910 году реконструкция затянулась и завершилась только в 1917 году.

В 1934 году, при атеистическом режиме, церковь закрыли, колокола сбросили, кресты сняли. На территории разместили склады, магазины и мастерские. В ноябре 1941 года, во время немецкой оккупации, богослужения возобновились. В 1942 году храм частично отремонтировали по проекту архитектора Владимира Самодрыги, повесили колокола, оштукатурили и выбелили стены, покрасили купола в зеленый цвет и вернули кресты. Внутри разобрали перекрытия и очистили закрашенные росписи.

После войны владыка Андрей Комаров устроил в цокольном этаже храм Рождества Христова. В 1950-х годах начались большие реставрационные работы внутри собора. Восстановили уцелевшие росписи Ижакевича, заменили погибшие фрески новыми, создали новый иконостас, построили крыльцо паперти и балкон для архиерейского хора. В 1985-1987 годах собор украсили паникадилами, установили новые позолоченные кресты, металлические ограждения, большие окна и боковые двери.

На рубеже XX-XXI веков, благодаря поддержке владыки Иринея Середнего, реставрационные работы возобновились. В 2009 году председатель областной администрации Виктор Бондарь передал здание собора и его строения Днепропетровской епархии.

На территории собора находится некрополь, где похоронены архиереев и священнослужители, включая Федора Дупленко и Андрея Кирпичникова. Во время бомбежек 1941 года здесь похоронили погибших горожан.

В последние годы купол колокольни и центральный купол собора покрыли сусальным золотом, и они засияли на солнце. Возможно, со временем и остальные купола станут золотыми.