Соборная церковь во имя Святой Троицы была торжественно заложена 30 августа (11 сентября) 1860 года в рамках строительства русских построек на приобретенных Палестинским Комитетом землях на Мейдамской площади Иерусалима. Закладку храма совершили первый эпитроп Иерусалимского Патриарха митрополит Петроаравийский Мелетий и начальник Миссии епископ Кирилл (Наумов) в сослужении русского и греческого духовенства.
Автором проекта был русский архитектор Мартин Эппингер.
Первоначально предполагалось освятить храм во имя святого Александра Невского (покровителя Императора Александра II), но затем было решено посвятить собор Святой Троице.
В 1863 году строительство Троицкого собора было закончено, но его освящение состоялось только 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 храма был поднят колокол.
Службы в соборе совершались ежедневно.
В 1895—1897 годах в соборе был произведён ремонт. В его процессе была отремонтирована кровля, исправлена отмостка. Клеевая краска со стен и колонн храма была соскоблена, и интерьер трижды был выкрашен в белый цвет; а затем собор был расписан священными изображениями. Из алтаря был устроен крытый запасный выход.
В период действия Британского мандата Троицкий собор оставался действующим и находился в юрисдикции Русской Православной Церкви Заграницей.
Храм сильно пострадал в период Первой арабо-израильской войны. С 1948 года он находится в юрисдикции Русской Православной Церкви.
Троицкий собор является главным храмом Русской Духовной Миссии в Иерусалиме Московского Патриархата.