В 1829 году в уездном городе Енотаевске была учреждена викарная кафедра, что обусловило необходимость строительства нового собора. В 1832 году, в ознаменование победы русского народа в Отечественной войне 1812 года, началось возведение однопрестольного каменного храма. Автором проекта выступил известный петербургский архитектор Иосиф Иванович Шарлемань.
Строительство собора было завершено в 1840 году. Архитектурный облик храма выполнен в стиле ампир и представляет собой ротонду с дорическим портиком и стройной колокольней. В 1850-х годах к основному зданию были пристроены приделы по бокам от трапезной, что несколько изменило первоначальную композицию сооружения.
При Свято-Троицком соборе действовала воскресная школа, способствовавшая религиозному образованию местного населения. В советский период храм был закрыт, и его здание использовалось не по назначению. В 1988 году собор был возвращен верующим, после чего началось его восстановление. 12 июня 1990 года, в День Святой Троицы, состоялось повторное освящение храма, и с тех пор он вновь стал действующим.
