Прежний Брянский кафедральный собор (Новопокровский) был разрушен в 1968 году. С восстановлением епископской кафедры в Брянске встал вопрос о сооружении нового собора. 30 мая Патриарх Алексий II благословил его возведение. Строительство началось в 2006 году. В декабре 2011 года освящены престолы нижнего яруса собора. 24 мая 2012 года, в праздник Вознесения Господня и день памяти святых равноапостольных Кирилла и Мефодия, совершена первая Божественная литургия в верхнем ярусе собора. Её возглавил епископ Брянский и Севский Александр.
1 июля 2012 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил чин великого освящения престола верхнего яруса собора. Величественное и прекрасное здание храма стало духовной и эстетической доминантой панорамы древнего города. Оно как бы парит над холмами Брянска, устремляясь к небу и преображая её красоту в красоту духа. Памятуя о великом значении Троице-Сергиевой Лавры в истории России и Русской Церкви, было решено посвятить новый собор Святой Живоначальной Троице, особым почитанием которой был преподобный Сергий Радонежский.
В 2004 года епархии был выделен земельный участок под строительство — в историческом и географическом центре Брянска, рядом с соборным храмом в честь Воскресения Христова. Некогда эта территория принадлежала древнему Воскресенскому девичьему монастырю. Автор проекта — молодой ставропольский архитектор Виктор Викторович Аксёнов, работающий в традициях древнерусского зодчества. Воссоздавая старые храмы он использует вполне современные конструкции, отвечающие сегодняшним требованиям. В то же время архитектор прекрасно чувствует эстетику древних храмов. В плане собор представляет собой трёхнефное восьмистолпное сооружение длиной 33 м и шириной 27 м. Современные технологии позволили изготовить круглые и тонкие столпы, что делает основное помещение просторным и вместительным. Шесть куполов весом свыше 10 тонн каждый изготовили в городе Волгодонске Ростовской области и доставили в Брянск разобранными на 12 частей. В декабре 2011 года были освящены престолы нижнего яруса собора: главный — в честь иконы Божией Матери Свенской, правый — во имя преподобного благоверного князя Олега Брянского, левый во имя святителя Феофилакта. Освящение совершил епископ Брянский и Севский Феофилакт.
23 июня 2012 года мощи преподобного благоверного князя Олега Брянского торжественно перенесены из соборного храма в честь Воскресения Христова в кафедральный Троицкий собор. Церемонию перенесения и богослужение возглавил епископ Брянский и Севский Александр. Губернатор Брянской области Н. В. Денин передал собору список иконы Свенской Божией Матери конца ХVIII века.
Троицкий собор стал крупнейшим храмом Брянской области. Площадь нижнего яруса — 1000, верхнего яруса — 882 кв. метра. Высота собора — 58 метров. Во время служб в нём могут одновременно находиться до трёх тысяч прихожан. В храмовый комплекс входит также отдельно стоящая колокольня «Пересвет» высотой около 71 метра. Колокольню спроектировала брянский архитектор Ольга Грозева. Самый большой колокол собора — 16-тонный «Пересвет» — изготовлен в Тутаеве Ярославской области и освящён в Свято-Троицкой Сергиевой Лавре в 2010 году.
16 декабря 2011 года под колокольней был установлен бронзовый памятник монаху-воину, иноку Троице-Сергиевого монастыря, участнику Куликовской битвы — Александру Пересвету, в 2012 году эту скульптуру с постаментом решено было переместить на несколько метров в сторону. Стоящий рядом с колокольней бронзовый памятник — творение московского скульптора и художника Александра Алексеевича Смирнова. Стоит сказать, что Александр Алексеевич в 2007-2008 годах занимался также росписью интерьеров этого величественного собора.
