7 марта 1905 года архиепископ Агафодор обратился к начальнику Кубанской области с просьбой выделить участок для строительства церкви в селе Армавир. В 1908 году волостное правление дало разрешение на строительство при условии сбора не менее 30 тысяч рублей. 12 декабря 1910 года был составлен документ «Приговор сельского сбора села Армавира», подписанный 62 участниками, где был выделен участок под строительство храма. Место выбрали на пересечении улиц Хуторской и Маломинской (ныне улицы С. Разина и Луначарского) в небогатом районе, вдали от центра.

С 28 мая 1912 года начались проектные работы под руководством архитектора Г. И. Акопжанова. Строительством руководил священник Леонид Дмитриевский. 3 августа 1912 года состоялась закладка молитвенного дома во имя Святой Троицы. К 2 сентября 1914 года завершились наружные работы. В 1915 году, на фоне роста патриотических настроений, увеличились пожертвования, и архитектор вместо молитвенного дома спроектировал храм. 28 апреля 1916 года строительство храма было завершено, а 26 мая 1916 года он был освящен.

Первым настоятелем Свято-Троицкого собора 7 ноября 1916 года стал священник Александр Уколов, который был расстрелян в годы гражданской войны. В 1930-е годы из пяти церквей, действовавших в Армавире, сохранилась только Свято-Троицкая, остальные были разрушены. Однако и в ней власти устроили склад.

Значимая веха в истории собора связана с настоятелем Леонидом Дмитриевским, который служил в храме с 1942 по 1950 годы. Храм возобновил работу в период немецкой оккупации. После освобождения Армавира 24 января 1943 года отец Леонид организовал сбор пожертвований для Красной Армии и провел реконструкцию и капитальный ремонт храма. Он был награжден медалью «За доблестный труд в годы Великой Отечественной войны». В 1950 году настоятелем стал протоиерей Александр Волканович, а в 1956-1957 годах, священник Георгий Строев. Настоятель Михаил Самойленко служил в храме с 1964 по 1985 годы.

С 1991 года настоятелем стал кандидат богословия протоиерей Сергий Токарь, благочинный церквей Армавирского округа. В 1993 году при храме был создан Армавирский Православно-Социальный Институт. В 1995 году Свято-Троицкая церковь получила статус собора.