Соборная церковь во имя Святой Троицы была торжественно заложена 30 августа (11 сентября) 1860 года в рамках строительства русских построек на приобретенных Палестинским Комитетом землях на Мейдамской площади Иерусалима. Закладку храма совершили первый эпитроп Иерусалимского патриарха митрополит Петроаравийский Мелетий и начальник Миссии – епископ Кирилл (Наумов) в сослужении русского и греческого духовенства.
Автором проекта был русский архитектор Мартин Эппингер. Первоначально предполагалось освятить храм во имя святого Александра Невского (покровителя Александра II), но затем было решено посвятить собор Святой Троице.
В 1863 году строительство Троицкого собора было закончено, но его освящение состоялось только 27 октября (8 ноября) 1872 года. Богослужение возглавил Иерусалимский патриарх Кирилл II, в сослужении четырех иерархов Иерусалимской православной церкви и начальника Миссии архимандрита Антонина (Капустина). В декабре того же года на колокольню храма был поднят колокол. Службы в соборе совершались ежедневно.
В 1895 – 1897 годах в соборе был сделан ремонт. В его процессе была отремонтирована кровля, исправлена отмостка. Клеевая краска со стен и колонн храма была соскоблена, и интерьер трижды был выкрашен в белый цвет. Затем собор был расписан священными изображениями. Из алтаря был устроен крытый запасный выход.
В период действия Британского мандата, Троицкий собор оставался действующим и находился в юрисдикции Русской православной церкви заграницей. В период Первой арабо-израильской войны храм сильно пострадал. С 1948 года он находится в юрисдикции Русской православной церкви.
Собор представляет собой белокаменный пятикупольный храм, построенный в неовизантийском стиле. Резной иконостас был изготовлен в 1869 году в Санкт-Петербурге. Его автор, Н. А. Леонтьев. В 1870 году на Всероссийской мануфактурной выставке он получил серебряную медаль. Царские врата позолочены. Они были пожертвованы председателем Палестинского комитета великим князем Константином Николаевичем.
