Первоначально на месте современного храма находился деревянный костёл, заложенный 20 марта 1625 года по указу польского короля Сигизмунда III на территории женского базилианского монастыря. В 1649 году польский магнат Иероним Радзивилл, ставший графом Себежским, инициировал строительство каменного костёла на месте сгоревшего деревянного. К 1654 году костёл был построен и освящён. После перехода Себежа под контроль Московского государства в 1654 году, костёл с 1654 по 1672 год использовался как православный храм. В 1673 году Себеж вновь отошёл к Польше, и костёл был переосвящён в католический храм. В 1772 году, после первого раздела Речи Посполитой, Себеж вошёл в состав Российской империи, и костёл был закрыт. В 1804 году здание стало приходской церковью. В 1917 году храм был закрыт, а в 1930 году его имущество было конфисковано советской властью. С 1960-х годов в здании размещались общежитие и склад. В 1985 году пожар уничтожил крышу, и здание начало разрушаться. В 1988 году полуразрушенное здание было передано православной общине, и в 1989 году Архиепископ Псковский и Великолукский Евсевий освятил Троицкий собор. В 1990 году храм был переименован и освящён как православный храм с согласия католиков, проживающих в Себеже.
Архитектурно храм представляет собой однонефную постройку с прямоугольным притвором и пятигранной апсидой с западной стороны. Он состоит из двух ярусов: верхний ярус — Троицкий, нижний — Рождественский придел. Западный фасад украшен фронтоном и двумя башнями. Храм является образцом провинциального костёла в стиле барокко, сохранившегося до нашего времени без значительных перестроек. С южной стороны от костёла через небольшую площадь расположен дом ксендза, построенный в конце XIX века.
