Рядом с Петропавловским собором возвышается Свято-Троицкий женский монастырь, который стал обителью в начале 2003 года, ранее являясь кафедральным собором.

Улица Одесская, на которой расположен монастырь, получила свое название в 1946 году. До этого, с 1839 года, она была известна как Греческая, что было оправдано, так как здесь жили греки. С XVIII века сохранились торговые ряды с колоннами под черепичной крышей.

Первая деревянная греческая церковь была построена в 1796 году. С 1826 года в Свято-Троицкой церкви находилась греческая гимназия. В 1868 году старую церковь разобрали и построили новое здание по проекту архитектора И.Ф. Колодина. Храм имеет крестообразный план с восьмигранным световым барабаном и невысокой колокольней. Свет проникает через арочные окна, а стены украшены декоративными элементами. Купола окрашены в голубой цвет и увенчаны ажурными крестами. Недавно в монастыре построили новую крещальню.

Внутреннее убранство храма также впечатляет: на парусах изображены четыре евангелиста, в куполе, образ Господа. В соборе два придела: один посвящен святителю Николаю Мирликийскому, другой, святым равноапостольным Константину и Елене. Храм освящен в честь Святой Троицы.

В 30-е годы в Свято-Троицком соборе служили священники, совершившие подвиг мучеников. В 1935 и 1937 годах здесь служил епископ Порфирий Гулевич, который возглавлял Крымскую кафедру в трудное для Церкви время. Он привлекал верных священнослужителей и боролся с обновленцами. Владыка был смиренным и кротким, особенно в молитве. Аресты и ссылки он переносил мужественно. В 1937 году его арестовали в Казахстане и приговорили к расстрелу.

Протоиерей Николай Мезенцев, ближайший помощник епископа, родился в Орловской губернии. Он рано лишился родителей и получил духовное образование за казенный счет. В 1891 году приехал в Симферополь и стал преподавателем в Таврической духовной семинарии. В 1903 году стал настоятелем храма Рождества Богородицы. После установления Советской власти его арестовали за попытку сохранить церковные ценности. В 1923 году его осудили на три года концлагерей, но выпустили досрочно. Позже он служил в Петропавловском соборе и Свято-Троицкой церкви. В 1933 году его вновь арестовали. В 1937 году его снова арестовали и приговорили к расстрелу. В 1997 году он и епископ Порфирий были причислены к лику местночтимых святых.

В монастыре покоятся мощи святителя Луки, выдающегося врача и священника. Валентин Войно-Ясенецкий родился в 1877 году в Керчи. Он учился в Киевском университете на медицинском факультете. В 1904 году отправился на Дальний Восток, где успешно начал свою хирургическую практику. В 1915 году вышла его книга «Региональная анестезия». В 1923 году он стал священником и монахом, приняв имя Лука. Трижды был арестован и отправлен в ссылку. В 1942 году стал архиепископом. В 1946 году прибыл в Крым, где активно работал над восстановлением епархии. Умер в 1961 году, его мощи были перенесены в Свято-Троицкий собор в 1996 году. Он оставил богатое научное и духовное наследие.

В соборе хранится икона Божией Матери «Скорбящая», обновившаяся в 1998 году. Она стала всекрымской святыней и привлекает паломников. В 1999 году икона обошла весь полуостров крестным ходом. Сейчас она находится в монастыре, для нее изготовлен красивый оклад. Почитание иконы велико, и к ней приезжают поклониться издалека.