После постройки Рождественских церквей преподобный Серафим поручил Елене Васильевне Мантуровой приобрести участок земли рядом с Казанской церковью. Ее брату, Михаилу Васильевичу, он завещал хранить эту землю, несмотря на любые обстоятельства. Земля предназначалась для строительства пятиглавого собора, о котором преподобный говорил: "Собор-то какой у нас будет! Диво!.. Куда лучше Саровского, и будут они нам завидовать!" Впоследствии Михаилу Васильевичу пришлось бороться с Иваном Тихоновым, который хотел заложить собор по своему усмотрению. Однако 5 июня 1848 года закладка состоялась на месте, указанном великим старцем. Строительство собора практически не велось до 1865 года, пока игумения Мария не привела в порядок хозяйство монастыря. Из-за смуты пожертвования на собор не поступили, и строительство продолжили на скромные средства. Неподалеку на монастырской земле устроили завод и начали производить кирпич.

Изначально планировалось освятить собор в честь иконы "Умиление" Божией Матери, но Нижегородский епископ Иоанникий определил его во славу Живоначальной и Животворящей Троицы. Это решение подтвердилось особым знамением: при воздвижении креста в 1874 году над ним вились три белых голубя, а ниже три журавля описывали круги. В строящемся соборе происходило немало чудес. Зимой, когда собор был заколочен, внутри слышались звуки работы. Вечерами или ночью над собором видели необычный свет. В 1875 году преосвященный Иоанникий неожиданно решил освятить собор с тремя необходимыми иконами. День освящения совпал с праздником иконы "Умиление" Серафимо-Дивеевской 28 июля. В честь этой иконы 2 июня 1880 года был освящен правый нижний придел. 3 июня 1884 года освятили справа на хорах престол во имя иконы Божией Матери Владимирской-Оранской, а на следующий день левый придел на хорах в честь Третьего обретения главы Иоанна Предтечи. Левый нижний придел игумения Мария оставляла неосвященным 28 лет, ожидая прославления батюшки Серафима. 22 июля 1903 года, сразу после его прославления, придел был освящен. Проект собора разработал архитектор А.И. Резанов, ученик академика К.Д. Тона, завершавший строительство храма Христа Спасителя в Москве. Поэтому заметно сходство Троицкого собора с московским храмом. Последнюю перед разгоном монастыря всенощную службу в честь Рождества Богородицы 21 сентября 1927 года провел в соборе иеромонах, оказавшийся в Дивееве после разгона Саровского монастыря, так как в тот день арестовали всех дивеевских священников. В октябре 1989 года Троицкий собор был передан церковной общине. Весной 1990 года при ясной радуге был водружен крест. Богослужения в соборе возобновились в субботу Похвалы Пресвятой Богородицы в апреле 1990 года, когда был освящен главный придел. С 1 января 1991 года службы в главном дивеевском соборе проводятся ежедневно.