История храма начинается в первой половине XIX века. 13 августа 1826 года епископ Тамбовский и Шацкий Афанасий дал благословение на строительство в Моршанске собора. 5 декабря 1830 года император Николай I утвердил проект строительства храма, сделав приписку: «Выше Исакия не строить». Сбор средств на строительство велся среди жителей Моршанского уезда, и к 9 апреля 1836 года было собрано 296 127 рублей 75 копеек. 10 июня 1836 года с благословения Преосвященнейшего Арсения началось строительство храма во имя Святой Троицы.
Строительство храма велось под наблюдением комитета, а затем попечителей из числа граждан, под непосредственным надзором местного протоиерея А. Я. Воскресенского и губернского архитектора Шубина. В процессе строительства было уложено 7 200 000 штук кирпича и 11 934 штуки белого камня плитами. Однако собранные средства истощились, и работы были приостановлены. В 1842 году на строительстве было занято всего 45 человек. В 1843 году был утвержден новый добровольный сбор в виде торговой пошлины с хлеба, сала и гречихи. После 1841 года работы на соборе растянулись на 15 лет.
В процессе строительства возникли проблемы с надежностью внутренних подкупольных столбов, которые начали проседать под тяжестью массивного барабана. Строительство было временно приостановлено. Решение предложил крестьянин Степан Люлин, предложивший укрепить столбы и своды металлической обвязкой. Работы были продолжены.
После завершения строительных работ были установлены иконостасы. Главный иконостас представлял собой пятиярусное сооружение, придельные иконостасы были трехъярусными. Их изготовление было доверено московским мастерам. 24 ноября 1857 года храм был освящен Преосвященнейшим Епископом Тамбовским и Шацким Макарием. Главный престол был освящен во имя Святой Троицы, правый — в честь Казанской иконы Божией Матери, левый — во имя святого князя Александра Невского.
Архитектурно храм представляет собой крестово-купольный собор, основой которого служит массивный куб, оформленный с трех сторон шестиколонными портиками с треугольными фронтонами. Внутренние стены были отделаны под синий и белый мрамор, купола и алтарь расписаны священными изображениями. Пол храма был выложен метлахской плиткой. Отопление осуществлялось калориферами из подвала, где находились три печи.
В храме находились местно чтимые иконы Божией Матери: «Всех скорбящих радости», «Боголюбская», «Достойно есть» и «Тихвинская». В Святом кресте Троицкого собора находился мощевик с 83 частицами святых мощей. 8 августа 1916 года собор посетил император Николай II.
В 1917 году в соборе проводился последний капитальный ремонт. В 1920 году собор стал кафедральным, первым епископом Моршанской кафедры был Иоанн Моршанский. Богослужения продолжались до 1931 года, затем совершались только по праздникам. В 1937 году собор был закрыт, в 1939 году подвергся разрушению и осквернению. Иконы, книги и утварь были уничтожены или проданы. В 1940 году в храме и его подвалах были размещены склады.
В 1971 году в областной газете была опубликована статья о необходимости сохранения храма. Реставрация началась в 1978 году, собор был частично восстановлен. Однако пожар 1987 года уничтожил плоды реставрации.
