Инициатива строительства второго православного храма в Армавире возникла в начале XX века. 3 декабря 1904 года атаман Лабинского отдела уведомил Ставропольскую духовную консисторию о желании жителей села Армавир собрать средства на возведение новой церкви. 7 марта 1905 года архиепископ Агафодор направил ходатайство начальнику Кубанской области с просьбой выделить место под строительство. В 1908 году волостное правление дало разрешение на строительство при условии сбора суммы не менее 30 тысяч рублей. 12 декабря 1910 года было принято решение о выделении участка под строительство храма на пересечении улиц Хуторской и Маломинской (ныне улицы С. Разина и Луначарского) в отдалённом районе города.
28 мая 1912 года начались проектные работы под руководством архитектора Г. И. Акопжанова. Руководителем строительных работ был назначен священник Леонид Дмитриевский. 3 августа 1912 года состоялась закладка молитвенного дома во имя Святой Троицы. К 2 сентября 1914 года были завершены наружные работы. В 1915 году, в связи с усилением патриотических настроений и увеличением пожертвований, было принято решение о строительстве полноценного храма вместо первоначально запланированного молитвенного дома. 28 апреля 1916 года строительство храма было завершено, а 26 мая 1916 года он был освящён.
Первым настоятелем Свято-Троицкого собора 7 ноября 1916 года стал священник Александр Уколов. В годы гражданской войны он был расстрелян. В 1930-е годы из пяти действовавших в Армавире церквей осталась только Свято-Троицкая; остальные были разрушены. Однако и в ней власти организовали склад.
Важный этап в истории собора связан с деятельностью настоятеля Леонида Дмитриевского, служившего в храме с 1942 по 1950 годы. Во время немецкой оккупации храм возобновил свою работу после длительного перерыва. После освобождения Армавира 24 января 1943 года отец Леонид организовал сбор пожертвований для Красной Армии и провёл реконструкцию и капитальный ремонт храма. За свою деятельность он был удостоен медали «За доблестный труд в годы Великой Отечественной войны».
В последующие годы настоятелями храма были протоиерей Александр Волканович (1950 г.), священник Георгий Строев (1956–1957 гг.), который занимался благоустройством храма и построил электростанцию для его освещения и прилегающей территории, а также Михаил Самойленко, служивший с 1964 по 1985 годы.
В 1991 году настоятелем собора стал кандидат богословия протоиерей Сергий Токарь, благочинный церквей Армавирского округа. В 1993 году при храме был создан Армавирский Православно-Социальный Институт. В 1995 году Свято-Троицкая церковь получила статус собора.