Строительство храма началось в 1896 году по инициативе основателя обители, преподобного Варнавы Гефсиманского.Проект разработал московский архитектор П. А. Виноградов, взяв за основу пространственно-объёмное решение главного храма Николо-Угрешского монастыря, но с вольной трактовкой деталей.
К 1902 году основные строительные работы были завершены, однако освящение храма состоялось только в августе 1909 года. Собор представлял собой пятиглавый четырёхстолпный храм в русско-византийском стиле, с высотой центральной главы более 50 метров и площадью около 1400 квадратных метров, вмещавший до 4000 молящихся. Внутреннее убранство отличалось богатым декором, включая резные иконостасы и настенные росписи.
В 1927 году, после закрытия монастыря советскими властями, собор был частично разрушен: взрывом уничтожены главы, барабаны и своды, однако основные несущие стены устояли. Оставшиеся два нижних яруса колокольни использовались как водонапорная башня.
Восстановление обители началось в конце XX века. В 1991 году была зарегистрирована религиозная община, ставшая в 1997 году монастырём. В 2003 году в притворе Троицкого собора был освящён придел в честь преподобного Варнавы Гефсиманского. С 2011 года ведутся работы по полному восстановлению собора, включая исследование фундамента и воссоздание архитектурных элементов.
