Весной 1895 года монахиня Леонида обратилась к Владыке Савве с просьбой разрешить строительство нового храма. Владыка дал своё благословение. Вскоре после этого монахиня получила благословение на строительство от Иоанна Кронштадтского, который передал ей 20 рублей, сказав, что это первая жертва на храм. Он посоветовал строить новый храм, не трогая старый, чтобы не лишать священнослужителей их места. Так началось дело строительства соборного храма с благословения святителя и великого Светильника земли русской.

12 мая 1896 года состоялась закладка храма во имя Живоначальной Пресвятой Троицы с приделами во имя Шестаковской Божией Матери и Святого Благоверного Великого Князя Георгия Всеволодовича. Огромные затраты легли на плечи настоятельницы монахини Леониды. Для строительства требовались булыжник и большие камни для фундамента, которые приходилось добывать за сто верст, а известь привозить издалека. С кирпичом повезло больше, так как кирпичный завод был построен в пяти верстах от обители на её земле. Благодаря милосердию Богоматери, храм был завершён через 12 лет. Это могло бы случиться раньше, если бы не пожар в ночь на 8 июля 1900 года, когда почти все строения общины были уничтожены, кроме школьного здания. Отстроенный храм был оштукатурен, имел две калориферные печи и две печи в среднем алтаре. Иконостас для всех трёх алтарей был выполнен в Петербурге, иконы главного алтаря также, а придельный иконостас написан сестрами обители, в основном певчими.

17 декабря 1906 года Шестаковская обитель праздновала освящение соборного храма, которое совершил Архиепископ Тверской и Кашинский Алексий. 26 ноября 1908 года обитель отметила освящение второго придела в честь Шестаковской Божией Матери, также совершённое Владыкой Алексием. Таковы были удивительные пути промысла Божия в судьбе Шестаковской обители, которая за 20 лет превратилась из общины в монастырь.

В 1930-е годы монастырь был разрушен. От собора остался только гигантский купол на четырёх столбах.