Главный городской храм Георгиевский к началу ХХ века уже не вмещал всех верующих. Особенно это ощущалось в дни больших церковных праздников. По инициативе протоиерея Александра Знаменского и прихожан, в качестве нового тёплого соборного храма города началось строительство Троицкого собора чуть к северо-востоку от Георгиевского собора. Четыре года жители Юрьев-Польского собирали пожертвования на новое строительство, и наконец в 1907 году был заложен первый камень в фундамент будущего собора. Его возведение приурочили к трёхсотлетию императорского дома Романовых. Чуть ранее, 6 марта 1903 года состоялось заседание Городской Думы, на котором было принято решение об отведении участка земли под новый соборный храм в одной ограде с существующим Георгиевским собором. Решено было отвести под оба храма 432 квадратных сажень земли и в том числе построить проезд от соборной улицы к Владимирскому тракту. Часть этой мощёной булыжником дороги существует и до сего дня.
В ноябре 1903 года план был уже готов. 21 января 1904 года городской голова Абросимов поставил на нём свою утверждающую визу. Проект Троицкого собора Юрьева-Польского, составленный владимирским епархиальным архитектором Николаем Дмитриевичем Корицким, был утверждён Строительным комитетом при Святом Синоде 3 мая 1905 года. Согласно ему храм должен был иметь «русский» облик и три престола, центральный во имя Троицы Живоначальной, придельные Крестовоздвиженский и Благовещенский. Проект воплотили в точности, хотя работы несколько затянулись из-за постоянной нехватки средств. К лету 1905 года было заготовлено некоторое количество строительных материалов, в том числе 350 тыс. кирпича. С 25 августа этого года начались работы по возведению храма. К 1 октября 1905 года был выложен фундамент под весь собор на высоту полутора аршин поверх земли. На эту работу были израсходованы все деньги, собранные членами Строительной комиссии. Нужны были весьма значительные средства для продолжения строительства. Поскольку собор строился в честь 300-летия Дома Романовых, царствующий император сделал денежный взнос в размере 30 000 рублей. По тем временам сумма немалая, если учесть, что стоимость коровы в 1911 году составляла 25 рублей. Но даже такой значительной суммы денег не хватило на завершение строительных работ. Ранние морозы и лютая зима повлияли на ещё недостроенный храм. В марте 1909 года на фасадах были замечены трещины. Из Владимира в Юрьев-Польский была откомандирована комиссия во главе с губернским архитектором С. Фёдоровым. В своём заключении он приговорил собор к полному разрушению, в случае если строительство будет продолжено. С Божьей помощью и участием благочестивых людей в 1914 году строительство собора было завершено. Работы длились почти семь лет, и к декабрю 1914 года здание было выстроено. Выглядело оно очень массивно и величественно. Красный кирпич, богатый внешний декор в виде кокошников под окнами и полуколонн между ними, ступенчатые карнизы, красивое входное крыльцо, всё это производило очень сильное впечатление. Размеры четырёхстолпного пятикупольного храма были внушительны, он мог вместить сразу две тысячи человек.
Освящение главного престола во имя Живоначальной Троицы состоялось 11 января 1915 года Его Преосвященством, епископом Юрьевским Евгением при участии соборного и городского духовенства. Через два дня, 13 января, произведён чин освящения алтаря в честь Благовещения Пресвятой Богородицы, а 18 января освящали престол южного алтаря в честь Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня. В этот придел были перенесены из Георгиевского собора мощи благоверного князя Святослава III Всеволодовича и сына его схимонаха Димитрия. 23 августа 1915 года состоялось освящение престола в честь Успения Божией Матери в нижнем этаже нового собора. В 1916 году в собор был помещён «Святославов крест», перенесённый из тёплого Крестовоздвиженского придела Георгиевского храма. Освящение Троицкого собора стало едва ли не последним радостным торжеством в дореволюционной истории Юрьева-Польского.
В середине 1920-х годов Троицкий храм был ограблен, осквернён, и впоследствии закрыт не позже 1930-х годов. Калориферное отопление разобрано. Известно, что в 1930-х годах новые власти приспособили собор под электростанцию, которая работала до середины 50-х годов ХХ века. За этот период здание пострадало от постоянной вибрации. Метлахская плитка была разбита, перекрытия ликвидированы, сам храм обезглавили и установили сбоку трубу. Затем помещение собора использовали под склады торговых организаций. К 90-м годам ХХ столетия здание было и вовсе брошено на произвол судьбы.
В настоящее время Свято-Троицкий собор передан Владимиро-Суздальской епархии, но из-за аварийного состояния здания службы не проводятся.
