В 1897 году к северу от Успенской церкви и к востоку от Иверского собора началось строительство нового, величественного соборного храма. Нижегородский историк и реставратор А. И. Давыдов в статье "Троицкий собор Выксунского Иверского монастыря" отмечает, что монастырский комплекс не был задуман в том виде, в каком он сложился к началу XX века. Территория монастыря расширялась постепенно, а храмы, колокольня, кельи и другие постройки возводились в разное время и разными архитекторами. Однако выбор места для нового собора, где ранее стояла деревянная часовня, был не случаен: архитектурная логика требовала возведения здесь величественного сооружения, которое стало бы центром ансамбля.

Проект собора разработал московский архитектор П. А. Виноградов, взяв за основу главный храм Николо-Угрешского монастыря, созданный А. С. Каминским. Этот выбор был символичен, так как в Угрешской обители преподобный Варнава Гефсиманский был рукоположен в иеродиакона. Однако Троицкий собор не является копией: Виноградов использовал пространственно-объёмное решение, но трактовал детали по-своему. Давыдов отмечает, что на фасадах здания сочетались огромные архивольты, имитирующие закомары, мощный "брильянтовый" руст и мелкие детали наличников, что придавало собору не только грандиозность, но и помпезность. Строительство шло долго: к 1900 году были готовы стены и своды, в 1902 году, купола, а в 1906 году завершили внутреннюю отделку. Освящение планировалось в 1906 году, но его откладывали из-за смерти прп. Варнавы Гефсиманского и других причин. В итоге храм освятили в 1909 году, а два его придела, в 1912 году.

Современники отмечали величественность собора. Митрополит Московский и Коломенский Владимир Богоявленский говорил, что "такой храм и в Москве был бы на редкость". Площадь собора составляла 1400 квадратных метров, высота до креста на центральной главе превышала 50 метров, и он вмещал до 4000 молящихся. Среди святынь особо почитались Иверская икона Богородицы и статуя Плачущего Христа. В советские годы судьба собора и всей Иверской обители сложилась трагично: в 1919 году их закрыли, а летом 1927 года главный храм был взорван. Главы, барабаны и своды рухнули, но основные несущие стены устояли и стали основой для восстановления.

Возрождение Выксунской Иверской обители началось в конце XX века. В 1991 году была зарегистрирована религиозная община, которая в 1997 году стала монастырём. Началось восстановление главного храма, и в 2003 году был освящён притвор. До полного восстановления ещё далеко, но работы продолжаются. Троицкий собор окружён строительными лесами, возведён свод, установлены барабаны, на которые вскоре будут подняты купола с золочёными крестами.