Место под будущий Троицкий храм в Днепре было освящено в 1837 году. Однако, строительство оказалось не под силу городу, недавно окончившему Преображенский собор и строящему Успенскую церковь. В 1845 году лесопромышленник Федор Дупленко выделил 3 000 рублей, на которые вывели фундамент, но после этого строительство снова остановилось. Федор Дупленко оказался под угрозой разорения и прекратил выделение средств на строительство. Со временем его дела пошли на поправку, и вплоть до своей смерти в 1848 году, Дупленко снова жертвовал на строительство храма — в целом около 100 000 рублей. В 1855 году новая церковь была окончена и освящена во имя Святой Троицы. Авторами проекта храма выступили петербургские зодчие Людвиг Шарлеман и Петр Висконти.
Троицкая церковь значительно уступала Успенской, и в размерах и в устройстве, и сильно отличалась от своего современного вида. Не было ни колокольни, ни служебных корпусов, ни кованой ограды. Все это пристроили позже. Храм возвели трехпрестольный. Правый придел посвящен Казанской иконе Божьей Матери, левый придел — святому апостолу Андрею Первозванному и центральный придел — в честь Животворящей Троицы. Три престола новой церкви дали имена трем городским улицам: Первозвановской, ныне Короленко, Троицкой, до недавнего времени — Красная, Казанской, ныне Михаила Грушевского, бывш. К. Либкнехта и Троицкой площади, до недавнего времени — пл. Красная.
В 1862 году перед церковью, по проекту одного из местных архитекторов, была возведена колокольня. Немного позже между колокольней и храмом появился соединительный придел, почти вдвое увеличивший площадь церкви. Меценатом этих построек выступил купец Андрей Кирпичников и его наследники, выделившие для этого 15 000 рублей.
В конце XIX века старостой Троицкой церкви стал купец Первой гильдии Иван Мартынович Алексеенко. При его поддержке церковь построила свечную лавку и 12 собственных лавок на Нижне-Троицком базаре. Также были построены дом причта и Троицкая церковно-приходская школа. В конце 1900-х годов в церкви были начаты большие ремонтные работы. Для исполнения новых икон и фресок был приглашен выдающийся украинский живописец Иван Ижакевич. Его кисти принадлежит ряд настенных росписей. Особенно выделяются лики евангелистов на парусах центрального нефа и святые, написанные во весь рост на пилонах храма: славянские первоучители Кирилл и Мефодий, апостолы Петр, Павел и другие. Со смертью в 1910 году старосты Троицкой церкви Ивана Алексеенко, реконструкция храма затянулась и окончательно ее смогли завершить только в 1917 году.
Атеистический режим не пощадил величественный храм. В 1934 году церковь была закрыта, сброшены колокола, сорваны кресты. В храме и на его территории разместили склады, многочисленные магазины, мастерские. В ноябре 1941 года, во время немецкой оккупации, в соборе возобновили богослужение. На протяжении 1942 года по проекту архитектора Владимира Самодрыги храм снаружи отремонтировали, но только частично из-за отсутствия средств. Повесили колокола, оштукатурили и выбелили стены, вновь покрасили в зеленый цвет купола и вернули на них кресты. Внутри успели разобрать перекрытия и расчистить закрашенные росписи.
В послевоенный период владыка Андрей Комаров устроил в цокольном этаже собора храм Рождества Христова.
Большие реставрационные работы внутри Троицкого собора начали только в 1950-х годах. Восстановили уцелевшие росписи Ижакевича: «Бегство Иосифа в Египет», иконы апостолов, херувимов в сводах малых куполов, орнаменты. Погибшие фрески заменили новыми, из которых наиболее впечатляет «Благовещение» на пилонах алтаря. Создали новый грандиозный иконостас, выстроили новое крыльцо паперти, сделали балкон для верхнего архиерейского хора. В 1985-1987 годах Троицкий собор был украшен большими паникадилами, на всех куполах поставлены новые позолоченные кресты, сделаны металлические ограждения на аллеи, новые большие нижние окна и двустворчатые боковые двери.
На рубеже XX-XXI веков, благодаря поддержке владыки Иринея Середнего, реставрационные и благоустроительные работы в соборе возобновились с новой тщательностью и размахом. В канун Пасхи 2009 года председатель областной госадминистрации Виктор Бондарь своим распоряжением передал здание Троицкого кафедрального собора и его хозяйственные строения Днепропетровской епархии.
На территории собора располагается небольшой некрополь — место захоронения епархиальных архиереев и священнослужителей. Архиепископ Андрей Комаров, архиепископ Варлаам Ильющенко, епископа Кронида Мищенко, бывшие настоятели собора: протоиерей Владимир Капустянский, протоиерей Константин Огиенко, создатели храма: Федор Дупленко и Андрей Кирпичников, другие священнослужители и благотворители нашли свой последний приют под стенами собора. Во время первых бомбежек города в 1941 году, во двор собора с близлежащих улиц были принесены тела погибших горожан. Они похоронены в братской могиле недалеко от центральных ворот справа.
На протяжении последних нескольких лет купол колокольни и центральный купол собора были покрыты сусальным золотом и засияли в солнечных лучах. Возможно со временем и остальные купола, которые полтора столетия были зелеными — станут золотыми.
