Свято-Троицкий собор в городе Барыш был построен в 1754 году на земле, принадлежавшей дворянину Симбирской губернии Куроедову, в селе Троицкое-Куроедово (ныне в черте города). Храм возводился силами прихожан и изначально имел два престола: главный (холодный) во имя Живоначальной Троицы и в трапезном приделе (тёплый) — в честь Успения Божией Матери. Причт состоял из священника, диакона и псаломщика.
В 1800 году фабрикантом Акчуриным был построен придел в честь Успения Пресвятой Богородицы. В 1900—1905 годах храм был расширен, и появился новый придел. В июле 1893 года перед храмом останавливался великий князь Пётр Николаевич, которого встречали прихожане и духовенство.
В 1935 году храм был закрыт и частично разрушен: снесены колокольня и купола, обрушены своды. В советский период здание использовалось под пищекомбинат, магазины и пивную. В 1990 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, и в 1991 году начались ремонтно-реставрационные работы, включая восстановление куполов и колокольни.
В 1996 году был освящён придел в честь святых мучениц Веры, Надежды, Любови и матери их Софии. В 2012 году, с созданием Барышской епархии, храм получил статус кафедрального собора. В 2013 году на собор был установлен новый купол.
Собор признан объектом культурного наследия регионального значения (Решение Исполнительного комитета Ульяновского областного Совета народных депутатов № 79 от 12.02.1990). При храме действуют воскресная школа, Дом милосердия, водосвятная часовня и хозяйственные постройки.
