Собор представляет собой уникальное архитектурное сооружение, построенное на вечной мерзлоте, и считается крупнейшим в мире действующим православным деревянным храмом, возведённым в подобных климатических условиях.
Решение о строительстве собора было принято в 2002 году. Закладка первого камня состоялась 12 апреля 2004 года, а уже 17 июня 2005 года в соборе была отслужена первая Божественная литургия. Строительство велось на пожертвования жителей Анадыря и при поддержке губернатора Чукотского автономного округа. Собор был возведён на высоком берегу Анадырского лимана.
Архитектурный проект собора был разработан омским архитектором Павлом Аверченко. Здание имеет форму пирамиды, что обеспечивает его устойчивость к сильным ветровым нагрузкам. Собор построен из сибирской сосны и лиственницы, завезённых из Омской области. Фундамент сооружения свайный, с установленными по периметру холодильными установками, предотвращающими оттаивание грунта в летний период и поддерживающими температуру под зданием не выше −3 °C. Кровля выполнена из медных листов толщиной 4 мм, что обеспечивает долговечность и устойчивость к атмосферным воздействиям. Проектный срок службы сооружения составляет 500 лет.
Собор имеет высоту около 27 метров и площадь более 600 квадратных метров, что позволяет одновременно вмещать до 1000 верующих. В архитектурном плане здание увенчано девятью куполами, покрытыми нитридом титана, придающим им характерный золотистый оттенок. Внутреннее пространство собора включает три престола: главный — во имя Святой Живоначальной Троицы, северный — в честь Успения Пресвятой Богородицы и южный — во имя преподобной Марии Египетской.
Внутреннее убранство собора отличается высоким художественным уровнем. Пятиярусный иконостас, объединяющий иконостасы трёх алтарей, выполнен омскими мастерами. Живописные иконы созданы в традициях русского иконописного искусства, с использованием элементов стиля Феофана Грека и Андрея Рублёва. Резные элементы иконостаса выполнены из различных пород дерева, включая ильм, кедр и липу, и украшены растительным орнаментом и церковно-славянской вязью. Колокола для собора были отлиты в Воронеже; восемь из них украшены ликами святых и именами меценатов, внесших вклад в строительство храма.
В 2004 году на скале рядом с храмом был установлен бронзовый памятник святителю Николаю Чудотворцу, являющийся крупнейшим в мире монументом, посвящённым этому святому. Памятник и собор образуют единый архитектурный ансамбль, подчёркивающий духовное значение места.
. В нём регулярно проводятся богослужения, церковные праздники. Собор также служит местом проведения культурных и образовательных программ, направленных на укрепление духовных и нравственных ценностей среди населения Чукотки.
