Свято-Троицкий мужской монастырь в Тюмени был основан в 1616 году иноком Нифонтом, пришедшим из Казанской Раифской пустыни. Первоначально обитель носила название Спасо-Преображенской по имени первого деревянного храма, освященного в 1622 году. Монастырь располагался на высоком мысу при слиянии рек Туры, Бабарынки и Тюменки, близ Ямской слободы.
В 1705 году деревянные постройки монастыря, включая Спасо-Преображенскую церковь, сгорели во время большого пожара. В 1706 году митрополит Тобольский и Сибирский Филофей (Лещинский) получил разрешение от Петра I на строительство каменного собора. С 1708 по 1715 год велось возведение каменного Троицкого собора, освященного 3 июня 1715 года. С этого времени монастырь стал именоваться Свято-Троицким.
В 1717 году к северу от собора была построена трапезная церковь во имя Сорока мучеников Севастийских. В 1721 году началось сооружение каменной монастырской ограды, завершенное к 1739 году. В этот же период были возведены настоятельские покои - первое каменное жилое здание в Тюмени. Петропавловская церковь строилась с 1726 по 1755 год.
В 1842 году монастырь пострадал от сильного пожара, уничтожившего Петропавловскую церковь. Восстановительные работы проводились в 1851-1853 годах. В 1885 году при архимандрите Филарете (Кожевникове) был построен деревянный корпус для хозяйственных нужд, а в 1890 году отремонтирована церковь Сорока мучеников.
Монастырь был закрыт в январе 1923 года. В 1924 году его здания переданы отделу Главнауки, в них разместился музей атеизма. В 1941 году территория перешла в ведение военного гарнизона. В 1946 году часть построек, включая церковь Сорока мучеников, была снесена для строительства очистных сооружений. В том же году монастырь получил статус архитектурно-исторического заповедника.
22 февраля 1995 года Священный Синод Русской Православной Церкви принял решение о возрождении монашеской жизни в обители. 10 декабря 1996 года монастырь был передан Тобольско-Тюменской епархии. 28 августа 2001 года в Успенском приделе Троицкого собора совершена первая после закрытия Божественная литургия. В 2006 году в монастырь были перенесены обретенные мощи святителя Филофея (Лещинского).