К началу XVIII века Свято-Троицкий монастырь находился в запущенном состоянии. Митрополит Филофей, проявив особую заботу о монастыре, решил привести его в порядок и сделать более величественным. В Тюмени было мало ссыльных, особенно каменщиков, всего шесть человек, четверо из которых строили Благовещенский собор. Поэтому к строительству церкви стали привлекать местных жителей.

12 июня 1709 года император Петр I распорядился выделить из Тобольской казны тысячу рублей на строительство церкви, не считая листового железа для крыши. Благодаря этим средствам стало возможным нанять рабочих. Губернатор князь Гагарин также помог митрополиту, отправив каменщиков и кирпичников из Верхотурья и Соли Камской, а также кузнецов и плотников.

На седьмом году пребывания в Сибири митрополит Филофей тяжело заболел. В 1709 году он принял схиму с именем Феодора и удалился на покой в Свято-Троицкий монастырь. До прибытия митрополита Тобольского Иоанна Максимовича 14 августа 1711 года, Филофей управлял епархией из монастыря. Схимонах Феодор продолжал руководить строительством собора. Несмотря на указ Петра I от 9 декабря 1714 года, запрещавший каменное строительство в городах, кроме Санкт-Петербурга, работы в Тюменской обители продолжались. Названия и расположение престолов изменялись, но центральная часть, Троицкая, осталась такой, какой задумал ее святитель Филофей.

Собор был завершен в 1715 году, и схимонах Феодор попросил у святителя Иоанна благословенной грамоты на его освящение. Грамота была получена, и собор был освящен 3/16 июня 1715 года. Двухэтажный, пятиглавый Троицкий собор стал настоящей жемчужиной монастыря. Внутри храм украшали великолепные иконостасы, сияющие позолотой и яркими красками. Иконы были написаны мастерами-монахами, приглашенными из Киева. Первый иконостас прослужил полтора столетия. Преображенский придел также имел красивый иконостас, сохранившийся до 1920-х годов. Данных о росписи стен собора не сохранилось.

Свято-Троицкий собор был закрыт 11 августа 1923 года. Несмотря на изменения, бывшие прихожане надеялись на возобновление богослужений. В 1925 году они создали общину Свято-Троицкого соборного храма, но просьбы о проведении богослужений и передаче церковной утвари были отклонены. После 1927 года попыток возобновить молитвенную жизнь не предпринималось.

22 февраля 1995 года Священный Синод решил возродить Свято-Троицкий монастырь. 2 сентября 1995 года собор посетили епископы Василий Родзянко и Димитрий, выразив уверенность в его возрождении. 7 марта 1996 года была составлена экспертиза состояния собора, указавшая на необходимость значительных ремонтных работ.

10 декабря 1996 года собор передали Тобольско-Тюменской епархии. Первое богослужение в Успенском приделе состоялось 28 августа 2001 года, после чего они стали регулярными.

16 ноября 2001 года губернатор Тюменской области С.С. Собянин посетил собор и пообещал помощь в его восстановлении. В 2002 году начались работы в главном приделе, а 29 ноября 2002 года начался монтаж иконостаса. 17 марта 2003 года продолжились работы по его установке.

15 июня 2003 года архиепископ Димитрий провел первое за 80 лет богослужение в соборе. 28 ноября 2005 года были установлены новые позолоченные купола.

В феврале 2014 года собор закрыли на капитальную реставрацию.