Является памятником архитектуры начала XX века и главным православным храмом Могилёвской области.
Строительство собора началось в 1903 году по проекту и под наблюдением губернского архитектора Петра Калинина. Финансирование осуществлялось за счёт добровольных пожертвований прихожан и благотворителей, что обусловило продолжительность строительства — 11 лет. В феврале 1914 года возведение храма было завершено. Здание выполнено в псевдорусском стиле, имеет форму креста, увенчано семью куполами, а над входом расположена колокольня. Особенностью архитектурного решения является наличие трёх входов с разных сторон, символизирующих трёх святителей, в честь которых назван собор.
В период с 1915 по 1918 годы, когда в Могилёве размещалась Ставка Верховного главнокомандующего Российской империи, собор часто посещал император Николай II. В этот период храм приобрёл особое значение как духовный центр для военного руководства страны.
После Октябрьской революции и установления советской власти собор продолжал функционировать с перерывами до 1959 года. В 1930 году здание было передано машиностроительному заводу имени Димитрова (ныне завод «Строммашина»), после чего в нём были проведены реконструкционные работы: луковичные купола заменены на конусные, колокольня разобрана, и помещение стало использоваться как клуб и столовая при заводе. В 1961 году церковь была окончательно закрыта, купола и кресты демонтированы, здание передано под клуб завода.
Во время немецкой оккупации Могилёва в 1941 году собор был вновь открыт для богослужений. 26 октября 1941 года начались службы, которые продолжались в течение всего периода оккупации. После освобождения города и восстановления Московской патриархии в 1943 году отношение советских властей к православной церкви стало более лояльным. В 1945 году группа могилевчан обратилась с просьбой зарегистрировать общину Трёхсвятительской церкви, и 12 мая 1946 года городские власти удовлетворили эту просьбу, передав здание в бессрочное бесплатное пользование церковной общине.
К 1959 году в соборе служили три священника и один диакон, хор состоял из тринадцати человек. Богослужения проводились четыре раза в неделю: в среду, пятницу, субботу и воскресенье. Посещаемость храма составляла от 50 до 150 человек в обычные дни и до 800–1000 человек в праздничные дни.
В 1989 году, после почти 30-летнего перерыва, здание было возвращено верующим. 25 декабря 1989 года собор был вновь освящён и начал действовать. С этого времени начались восстановительные работы: были воссозданы купола, колокольня, восстановлены интерьеры. В 1995 году при соборе был построен крестильный храм в честь святителя Георгия Конисского по проекту архитектора А. Юрковца.
