В городе Орле не было подходящего кафедрального собора, что побудило епископа Смарагда задуматься о строительстве нового, более вместительного храма в епископской резиденции. Борисоглебский собор был слишком мал и неудобен, Петропавловский постоянно ремонтировался, а Успенский собор при Архиерейском доме также не мог вместить всех желающих на архиерейских службах. Однако, после перевода епископа в Рязанскую епархию в 1858 году, планы так и не были реализованы.

При епископе Поликарпе (Радкевиче) (1858-1867) 5 июня 1860 года началось строительство архиерейского пятиглавого кирпичного собора во имя Святой Троицы, который был освящен епископом Ювеналием (Карюковым) (1876-1882) 29 июня 1879 года. На строительство было потрачено 200 тысяч рублей.

Собор возводился на территории Верхнего сада Архиерейского дома по проекту архитектора Н. Ефимова. В 1865 году архитектор Маевский, прибывший для проверки обрушившейся Покровской церкви, запретил строительство купольных сводов собора. По просьбе епископа был предложен проект деревянных куполов, которые должны были быть оштукатурены изнутри и обшиты железом снаружи.

В 1930-е годы XX века большевики разрушили Троицкий собор. Сегодня от него сохранились только подвалы под алтарными апсидами.