Благословение на создание православного прихода в Тынде было дано архиепископом Благовещенским и Тындинским Гавриилом в 1990 году. В мае 1992 года трест «Мотострой-10» предоставил новообразованному приходу здание бывшей библиотеки, которое было переоборудовано под храм. В августе 1993 года, с прибытием постоянного священнослужителя, был поднят вопрос о выделении земельного участка для строительства нового храма. 22 октября 1993 года постановлением главы администрации города Тынды православному приходу в честь Святой Троицы был предоставлен земельный участок площадью 0,8 га для проектирования церковного подворья. Главный архитектор города А.С. Семёнов разработал архитектурно-планировочное задание.
Осенью 1994 года состоялось освящение земли и установка креста на месте будущего строительства собора. 25 июня 1998 года был проведён торжественный крестный ход к строящемуся храму, во время которого произошло освящение строительства и закладка святых мощей в основание собора. Активное строительство началось в феврале 2001 года, и уже 28 октября 2001 года собор был освящён.
Архитектурно собор выполнен с применением красного облицовочного кирпича. Главное здание увенчано пятью позолоченными куполами. Слева и справа от основного здания расположены пристройки. В основу архитектурно-планировочного решения собора положена концепция сохранения внешнего облика и характера русской православной архитектуры.