Архитектурный ансамбль Макарьево-Желтоводского монастыря складывался в основных своих чертах на протяжении очень недолгого времени, в 1661-1677 годах. Это, как указывают искусствоведы, обусловило особую цельность комплекса монастырских строений. Поначалу, в 1620-е годы на месте, где возвысил свои пять глав величественный Троицкий собор, стояла деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы. Но церковка совсем не соответствовала статусу этой Волжской обители, и поэтому через несколько лет церковные власти решили воздвигнуть большой храм. Новый соборный храм, освящённый во имя Святой Троицы, являлся смысловой и архитектурной доминантой ансамбля обители. Он строился в 1651-1658 годах. Таким образом, мы имеем право связать это строительство с именем Патриарха Никона. Неизвестно в точности, какую именно роль сыграл Патриарх в возведение каменных храмов Макарьево-Желтоводского монастыря. Но у Никона, выходца из Нижегородской земли, было сугубо личное отношение к Желтоводской обители. В отрочестве и ранней юности он жил здесь в послушниках, и, безусловно, весь строй здешней жизни оказал большое влияние на становление его личности.
Архитектурное решение Троицкого собора подтверждает его соотнесённость с концепцией храмового зодчества, активно внедрявшейся Никоном, строить «по старине», шатровых завершений отнюдь не употреблять, а в качестве образца иметь перед мысленным взором Успенский собор Московского Кремля. Именно на него ориентировались и строители Троицкого собора Желтоводского монастыря. Предполагают обычно, что руководил возведением каменных храмов обители «подмастерье каменных дел» Максим Апсин, родом москвич. Заказчики соборного храма проявили известную амбициозность, для своего времени собор очень велик. И хотя он не превосходит размерами Успенский собор, но всё-таки на аршин больше Спасо-Преображенского собора Новгородского кремля, не дошедшего до наших дней.
В период с 1977 по 1983 годы в соборе проводились реставрационные работы, включающие в себя, очищение от ржавчины металлических кованых крестов с покраской в два приёма свинцовым суриком и в два приёма тёмно-серой краской, ремонт покрытия глав «в шашку» чёрным листовым железом, с последующей покраской масляной «серебрянкой», перекрытие чёрным листовым железом и окрашивание окисью хрома крыши над собором, отреставрирована была и кирпичная кладка на фасадах и цоколе, остеклены окна и покрашены металлические оконные рамы, сделаны новые покрытия над апсидами алтаря и папертью, заменены сгнившие стропильные конструкции, восстановлена лепнина на фронтоне по имеющимся многочисленным остаткам. Конечно же, перед этим было произведено укрепление грунта под и возле собора. В 1980-е годы шедевр архитектуры чуть не затопили в связи со строительством Чебоксарской ГЭС. В настоящее время Свято-Троицкий храм взят под охрану государства. Сегодня Троицкий собор, единственный в Нижегородской области, где остались фрески ХVII века. В 2000-е годы реставрацией икон для иконостаса и самого храма занимался нижегородский иконописец Алексей Владимирович Анциферов. 7 августа 2007 года Честная глава прп. Макария торжественно перенесена в Макариевский Желтоводский монастырь из Печёрской Вознесенской обители. В этот же день архиепископ Георгий освятил Свято-Троицкий собор.
