Архитектурный ансамбль Макарьево-Желтоводского монастыря сформировался в основном в период с 1661 по 1677 годы. Искусствоведы отмечают, что это способствовало особой цельности комплекса монастырских строений. В начале 1620-х годов на месте нынешнего Троицкого собора стояла деревянная церковь Живоначальной Троицы. Однако она не соответствовала статусу обители на Волге, и вскоре церковные власти решили построить более крупный храм. Новый собор, освящённый в честь Святой Троицы, стал центральной архитектурной и смысловой доминантой монастыря. Его строительство велось с 1651 по 1658 годы и связано с именем Патриарха Никона. Хотя точно неизвестно, какую роль он сыграл в строительстве каменных храмов монастыря, его личное отношение к обители было значительным, так как в юности он жил здесь в послушниках.

Архитектурное решение Троицкого собора отражает концепцию храмового зодчества, продвигаемую Никоном, которая предусматривала отказ от шатровых завершений и ориентацию на Успенский собор Московского Кремля. Строители Троицкого собора Желтоводского монастыря следовали этому образцу. Считается, что возведением каменных храмов руководил Максим Апсин, мастер из Москвы. Собор был амбициозным проектом для своего времени, хотя и не превосходил размерами Успенский собор, но был больше Спасо-Преображенского собора Новгородского кремля.

С 1977 по 1983 годы в соборе проводились реставрационные работы. Были очищены и окрашены металлические кресты, отремонтированы покрытия глав, перекрыта и окрашена крыша, восстановлена кирпичная кладка, остеклены окна и заменены стропильные конструкции. Укрепление грунта под собором также было выполнено. В 1980-е годы собор чуть не оказался под водой из-за строительства Чебоксарской ГЭС. Сейчас Свято-Троицкий храм находится под государственной охраной и является единственным в Нижегородской области, где сохранились фрески XVII века. В 2000-е годы реставрацией икон занимался нижегородский иконописец Алексей Анциферов. 7 августа 2007 года глава преподобного Макария была перенесена в монастырь, и в этот же день архиепископ Георгий освятил Свято-Троицкий собор.