История Свято-Троицкого собора начинается с визита царской семьи в Екатеринодар в конце XIX века. В 1888 году поезд с царскими особами потерпел крушение, но, к счастью, обошлось без жертв, лишь несколько слуг и фрейлин получили легкие травмы.

В 1889 году, после молебна в Александро-Невском соборе, Городская Управа решила построить храм с семью престолами в 113 квартале второй части города. Представители Управы, включая В. С. Климова и старосту А. Ерохина, отправили телеграмму Государю, выражая верноподданнические чувства и сообщая о намерении увековечить спасение царской семьи строительством храма в честь святых покровителей Августейшей семьи.

6 ноября 1887 года была получена Высочайшая благодарность. Вскоре, 20 апреля 1896 года, вдова урядника Ефросинья Абрамовна Щербинина предложила участок для строительства церкви и пожертвовала 2000 рублей, попросив взамен небольшую пенсию и домик. Дума приняла ее предложение, и 3 октября 1899 года состоялась закладка храма. Архитектор И. К. Мальгерб представил проект собора, рассчитанный на 1000 человек.

С 1902 года на месте будущего храма начал действовать молельный дом, где служил о. Василий Бирюков. В 1902 и 1903 годах велись работы по строительству колокольни и крыши.

29 июня 1904 года кресты были подняты на купола, и освятили престол нижнего храма в честь преподобного Серафима Саровского. В храме были запланированы престолы: средний, во имя Святой Троицы, правый, во имя Василия Великого, левый, во имя Святой Евфросинии. Позднее престол Святой Евфросинии переместили в нижний храм, а левый стал носить имя преподобного Серафима Саровского. Строительство остановилось с 1905 по 1907 годы из-за нехватки средств и сырости, которая портила иконы. Городская дума выделила 15 000 рублей на иконостас, заключив договор с мастером Стрелковым и художником Сафоновым. Все работы завершились к концу 1909 года, и 7 июня 1910 года храм был торжественно освящен. В 1911 и 1912 годах провели ремонт нижнего храма, который освятили 1 ноября 1912 года. На территории церкви находились церковно-приходская школа и городское училище.

К сожалению, храм действовал всего 20 лет. В 1934 году его закрыли, но в 1942 году, по разрешению оккупационных властей, богослужения возобновились. После войны собор снова закрыли.

Во время запустения церковь лишилась утвари, икон, мебели и иконостасов. Светильники и канделябры отправили в Горисполком, а ограда собора до сих пор стоит вокруг детской больницы на улице Тургенева.

До 1972 года в храме размещались склад и засолочная база. Росписи закрасили масляной краской. Позже здание использовали как скульптурный цех Краснодарского художественного Фонда СССР. Многие памятники Краснодара были созданы в соборе в те годы.

В 1985 году архитектор Г. И. Бекбулатова описала состояние собора: фасады захламлены, крыльца разрушены, росписи закрашены, кровля повреждена, двери не закрываются, декоративные решетки и витражи утрачены, интерьеры и полы в запущенном состоянии.

В 1989 году верующие собрали более 2000 подписей и добились возвращения здания церкви Кубанскому Епархиальному управлению. В 1990 году собор вернули верующим, и богослужения возобновились.

С 1 сентября 2006 года на территории собора действует Екатеринодарская духовная семинария и воскресная школа для детей.

16 сентября 2020 года Архиерейский совет Кубанской митрополии решил объединить Свято-Троицкий собор и Екатеринодарскую духовную семинарию в единый Духовно-образовательный комплекс.