Монастырский собор, изначально деревянный, был построен на этом месте уже в 1576 году. Инициатором его постройки на северном склоне бугра был игумен Кирилл, один из первых православных миссионеров края. Об этом известно благодаря царской грамоте Царя Иван Васильевича, в которой говорится, что он жалует «богомольца своего игумена Кирилла» всевозможными льготами за то, что он «в монастыре общую обитель построил и храм Живоначальной Троицы поставил».
Инициатором строительства современного каменного храма был митрополит Савватий. По существовавшим тогда правилам, монахи Троицкого монастыря имели в городе торговые лавки и беспошлинно в них торговали, кроме этого монастырю принадлежали рыбные ловли. Это позволило накопить достаточно средств для строительства каменного собора, который был возведён к 1603 году. В те времена в Астрахани были не редки крупные пожары, так в 1623 году пожар бушевал не только на территории города, он перекинулся и на кремлевский двор. После пожара Троицкий монастырь был в скором времени восстановлен.
В 1700 году Троицкий монастырь был приписан к Троице-Сергиевой Лавре, в ведении которой находился до 1764 года. С 1765 года по 1807 год монастырские здания находились под управлением Приказа Общественного призрения, и астраханские власти даже решили сломать все сооружения монастыря. Кельи и Святые ворота разобрали, кирпич пошел на сооружение гимназии, настала очередь церквей, но астраханский архиепископ Анастасий Братановский сумел их отстоять.
Храм является сложным архитектурным комплексом. С западной стороны он представлен трапезными палатами, Большой и Малой, отреставрированы в 1974 году, с севера двумя церквями, которые с трех сторон окружены одноярусными галереями на подклети. Церкви крестово-купольные, четырехстолпные, трехапсидные с пониженными подпружными арками, пятиглавые; ветви креста и угловые компартименты перекрыты крестовыми сводами, с круглыми столбами. Изначально купола собора были шлемоподобными, но при реставрации в 1974 году их сделали луковичной формы, тогда же храм был покрыт кровельной листовой медью; изготовлены новые кресты, конуса, позолоченные и установленные на место; белокаменные детали по карнизу осторожно расчищены и реставрированы. В Большой трапезной палате столп незаметно переходит в своды, которые плавно опускаются на массив стены. В основании столпа — своеобразная спиралевидная кладка. Между окнами по стенам в определенном порядке устроены стрельчатые ниши, наподобие бойниц в зубцах кремля, только глухие. В этих нишах устанавливались светильники, и вдоль стен тянулись длинные столы для трапезы монастырской братии.
Троицкий монастырь был настоящей сокровищницей древнерусского искусства. В монастырской описи, составленной в июне 1769 года, приводятся в пример следующие описания: на многих иконах через венцы были накинуты расшитые полотенца или платы, на иконе Владимирской Божией Матери накинут «Плат голи красной, низан жемчугом мелким, бахрома синяя», на другой иконе «Плат камчатный, весь низан разноцветными зернами». Троицкий собор неоднократно подвергался разграблению, и поэтому до наших дней ни один предмет, ни одна древняя икона Троицкого монастыря не сохранились.
