Соборная церковь Святой Троицы была торжественно заложена 30 августа (11 сентября) 1860 года в рамках строительства русских сооружений на землях, приобретенных Палестинским Комитетом на Мейдамской площади в Иерусалиме. Закладку храма провели первый эпитроп Иерусалимского патриарха митрополит Петроаравийский Мелетий и начальник Миссии, епископ Кирилл (Наумов), в сослужении русского и греческого духовенства.

Проект разработал русский архитектор Мартин Эппингер. Изначально планировалось освятить храм в честь святого Александра Невского, покровителя Александра II, однако позже решили посвятить его Святой Троице.

Строительство Троицкого собора завершилось в 1863 году, но освящение состоялось лишь 27 октября (8 ноября) 1872 года. Богослужение возглавил Иерусалимский патриарх Кирилл II, в сослужении четырех иерархов Иерусалимской православной церкви и начальника Миссии архимандрита Антонина (Капустина). В декабре того же года на колокольню подняли колокол. Службы в соборе проводились ежедневно.

В 1895 и 1897 годах в соборе провели ремонт. Были отремонтированы кровля и отмостка, а клеевая краска со стен и колонн была соскоблена, после чего интерьер трижды покрасили в белый цвет. Затем собор украсили священными изображениями, а из алтаря сделали крытый запасный выход.

Во время действия Британского мандата Троицкий собор оставался действующим и находился под юрисдикцией Русской православной церкви заграницей. В период Первой арабо-израильской войны храм сильно пострадал. С 1948 года он находится под юрисдикцией Русской православной церкви.

Собор представляет собой белокаменный пятикупольный храм в неовизантийском стиле. Резной иконостас, изготовленный в 1869 году в Санкт-Петербурге Н. А. Леонтьевым, получил серебряную медаль на Всероссийской мануфактурной выставке 1870 года. Царские врата, позолоченные и пожертвованные великим князем Константином Николаевичем, председателем Палестинского комитета, украшают собор.