Первое документальное упоминание о Троицком мужском монастыре, частью которого являлся храм, датируется 1657 годом. В описании 1691 года упоминаются две деревянные церкви на территории монастыря: Троицкая и Петропавловская. В 1776 году монастырь был упразднён, и все его постройки, включая Троицкую церковь, были разобраны.
В 1820 году городским головой И. В. Шапошниковым было подано прошение о восстановлении монастыря на новом месте. Шапошников обязался построить каменный Троицкий храм. К 1830 году строительство собора было завершено, и 5 сентября 1836 года он был торжественно освящён. Главный престол был посвящён Святой Троице, левый — святой Евдокии, правый — апостолам Петру и Павлу.
После образования Елецкой викарной епархии в 1906 году Троицкий собор стал кафедральным. В 1919 году монастырь был закрыт, однако собор продолжал действовать как приходской храм до 1920 года, после чего был окончательно закрыт. В последующие годы здание использовалось в различных хозяйственных целях, а в 1965 году было разрушено.
