Строительство храма началось 20 мая 1836 года и завершилось в 1848 году. Проект храма был разработан губернским архитектором Г. Маковецким при участии помощника П. Шарова. В 1842 году был освящен придел во имя святителя Иннокентия Иркутского, а в 1848 году — главный престол во имя Живоначальной Троицы.
Архитектурно собор выполнен в стиле позднего классицизма. Кирпичное здание храма отличается строгими и гармоничными формами, характерными для данного стиля. Собор является двупрестольным.
Собор был возведен на возвышенности, известной как гора Кладбищенская, впоследствии переименованной в Поклонную гору после строительства мемориала Победы. Близость к городскому кладбищу определила его народное название — «Троица на горе».
В советский период, когда многие храмы закрывались или переоборудовались под светские нужды, Свято-Троицкий собор оставался действующим. Согласно данным, после 1936 года, когда большинство культовых сооружений Красноярска прекратили свою деятельность, Свято-Троицкий собор продолжал функционировать, став единственным храмом в городе, использовавшимся по назначению.
В послевоенные годы собор продолжал оставаться центром духовной жизни Красноярска. Его архитектурный облик и внутреннее убранство сохранялись благодаря усилиям прихожан и духовенства. В 1999 году центральный алтарь собора был освящен в честь Живоначальной Троицы Святейшим Патриархом Московским и всея Руси Алексием II.
