Отсутствие в г. Орле надлежащего кафедрального собора вынудило епископа Смарагда поднять вопрос о строительстве в епископской резиденции нового, более вместительного и обширного храма, так как Борисоглебский собор был мал и неудобен, Петропавловский находился в стадии бесконечных ремонтов и переделок, а храм, находившийся при Архиерейском доме – Успенский собор, также обширностью не отличался и не мог вместить всех желающих присутствовать на архиерейском богослужении. Но в связи с переводом епископа в Рязанскую епархию в 1858 г. это намерение не было осуществлено.
В период управления епископа Поликарпа (Радкевича) (1858-1867) в нескольких метрах севернее Троицкой церкви-усыпальницы 5 июня 1860 г. был заложен, а 29 июня 1879 г. епископом Ювеналием (Карюковым) (1876-1882) освящен архиерейский 5-главый кирпичный собор во имя Святой Троицы. Общая сумма затрат составила 200 тыс. руб.
Храм был построен на территории Верхнего сада Архиерейского дома по проекту архитектора Н. Ефимова. В 1865 г. приехавший для освидетельствования обрушившейся Покровской церкви архитектор Маевский запретил возведение купольных сводов собора. По просьбе епископа был разработан проект устройства над собором деревянных куполов с последующей штукатуркой их с внутренней стороны и обшивкой железом снаружи.
Троицкий собор взорвали большевики в 30-е годы XX века. В настоящее время от него сохранились подвалы под алтарными апсидами.
