Монастырский собор, первоначально деревянный, был возведён на этом месте в 1576 году. Его строительство на северном склоне холма инициировал игумен Кирилл, один из первых православных миссионеров региона. Это подтверждается царской грамотой Ивана Васильевича, в которой упоминается, что он дарует «богомольцу своему игумену Кириллу» различные льготы за то, что тот «в монастыре общую обитель построил и храм Живоначальной Троицы поставил».

Позже строительство каменного храма инициировал митрополит Савватий. В те времена монахи Троицкого монастыря имели торговые лавки в городе и торговали в них без пошлин, а также владели рыбными ловлями. Это позволило накопить средства для строительства каменного собора, который был завершён к 1603 году. В Астрахани в те времена часто случались крупные пожары, и в 1623 году один из них охватил не только город, но и кремлевский двор. После этого Троицкий монастырь был быстро восстановлен.

В 1700 году Троицкий монастырь был приписан к Троице-Сергиевой Лавре и оставался под её управлением до 1764 года. С 1765 по 1807 год монастырские здания находились под управлением Приказа Общественного призрения, и астраханские власти даже планировали снести все сооружения монастыря. Кельи и Святые ворота были разобраны, кирпич использовали для строительства гимназии, но архиепископ Анастасий Братановский сумел отстоять церкви.

Храм представляет собой сложный архитектурный комплекс. С западной стороны находятся трапезные палаты, Большая и Малая, отреставрированные в 1974 году, а с севера две церкви, окружённые одноярусными галереями на подклети. Церкви крестово-купольные, четырёхстолпные, трёхапсидные с пониженными подпружными арками, пятиглавые; ветви креста и угловые компартименты перекрыты крестовыми сводами с круглыми столбами. Изначально купола собора были шлемовидными, но при реставрации в 1974 году их сделали луковичными, тогда же храм покрыли кровельной листовой медью; изготовили новые кресты и конуса, которые позолотили и установили на место; белокаменные детали по карнизу были осторожно расчищены и отреставрированы. В Большой трапезной палате столп плавно переходит в своды, которые мягко опускаются на массив стены. В основании столпа находится спиралевидная кладка. Между окнами по стенам устроены стрельчатые ниши, напоминающие бойницы в зубцах кремля, но глухие. В этих нишах устанавливались светильники, а вдоль стен располагались длинные столы для трапезы монастырской братии.

Троицкий монастырь был настоящей сокровищницей древнерусского искусства. В монастырской описи, составленной в июне 1769 года, упоминаются такие описания: на многих иконах были накинуты расшитые полотенца или платки, на иконе Владимирской Божией Матери накинут «Плат голи красной, низан жемчугом мелким, бахрома синяя», на другой иконе «Плат камчатный, весь низан разноцветными зернами». Троицкий собор неоднократно подвергался разграблению, поэтому до наших дней ни один предмет, ни одна древняя икона Троицкого монастыря не сохранились.