К началу XX века главный городской храм, Георгиевский, уже не мог вместить всех верующих, особенно в дни крупных церковных праздников. По инициативе протоиерея Александра Знаменского и прихожан было решено построить новый тёплый соборный храм, Троицкий собор, который разместили к северо-востоку от Георгиевского собора. Жители Юрьев-Польского на протяжении четырёх лет собирали пожертвования, и в 1907 году был заложен первый камень в его фундамент. Строительство собора приурочили к 300-летию дома Романовых. Ранее, 6 марта 1903 года, Городская Дума выделила участок земли под новый храм, который должен был находиться в одной ограде с Георгиевским собором. Для обоих храмов выделили 432 квадратных сажени земли, а также запланировали строительство дороги от соборной улицы к Владимирскому тракту, часть которой сохранилась до наших дней.

К ноябрю 1903 года план строительства был готов, и 21 января 1904 года городской голова Абросимов утвердил его. Проект, разработанный владимирским епархиальным архитектором Николаем Дмитриевичем Корицким, был одобрен Строительным комитетом при Святом Синоде 3 мая 1905 года. Храм должен был иметь "русский" стиль и три престола: центральный в честь Троицы Живоначальной и два придельных, Крестовоздвиженский и Благовещенский. Несмотря на нехватку средств, проект был реализован. К лету 1905 года были заготовлены строительные материалы, включая 350 тысяч кирпичей, и 25 августа началось строительство. К 1 октября 1905 года был завершён фундамент собора. Однако для продолжения работ требовались значительные средства. Император пожертвовал 30 тысяч рублей, но и этого оказалось недостаточно. Ранние морозы и суровая зима нанесли ущерб недостроенному храму, и в марте 1909 года на фасадах появились трещины. Комиссия из Владимира под руководством губернского архитектора С. Фёдорова рекомендовала прекратить строительство. Тем не менее, благодаря помощи благочестивых людей, в 1914 году строительство завершили. К декабрю 1914 года здание было построено, впечатляя своими размерами и декором. Храм мог вместить до двух тысяч человек.

11 января 1915 года епископ Юрьевский Евгений освятил главный престол во имя Живоначальной Троицы. 13 января освятили алтарь в честь Благовещения Пресвятой Богородицы, а 18 января, престол южного алтаря в честь Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня. В этот придел перенесли мощи князя Святослава III Всеволодовича и его сына Димитрия из Георгиевского собора. 23 августа 1915 года освятили престол в честь Успения Божией Матери на нижнем этаже нового собора. В 1916 году в собор был перенесён "Святославов крест". Освящение Троицкого собора стало одним из последних радостных событий в дореволюционной истории Юрьева-Польского.

В середине 1920-х годов храм был ограблен, осквернён и закрыт к 1930-м годам. Калориферное отопление было разобрано, а в 1930-х годах здание использовали как электростанцию, что привело к повреждениям из-за вибрации. Метлахская плитка была разбита, перекрытия ликвидированы, а сам храм лишился куполов и был оборудован трубой. Позже здание использовали под склады. К 1990-м годам оно оказалось заброшенным.

Сегодня Свято-Троицкий собор передан Владимиро-Суздальской епархии, однако из-за аварийного состояния службы в нём не проводятся.