Строительство собора проходило три года, в 1838 году была завершена черновая отделка храма.
7 сентября 1840 года был освящен правый придел собора в честь Рождества Пресвятой Богородицы; 18 января 1841 года — левый придел во имя святителя Николая Чудотворца; и, наконец, 31 мая 1841 года — главный престол во имя Святой Живоначальной Троицы.
Из Михайло-Архангельского храма в Свято-Троицкий собор была передана половина священных предметов: колоколов, книг и икон.
Вокруг собора во второй половине XIX века был сформирован новый городской центр. Храм окружала площадь, получившая название Троицкая. Руководил строительством Свято-Троицкого собора местный чиновник земского суда Ватлашев А.Р.
В 1863 году на колокольне собора был установлен главный колокол весом в 333 пуда, примерно 5 тонн.
В 1880 году собор был расписан.
В начале XX века собор имел электрическое освящение. Первая электростанция, построенная в Бирске, обслуживала дом Коновалова и Свято-Троицкий собор.
В 1914 году к собору был сделан пристрой со стороны колокольни.
Свято-Троицкий собор неоднократно печатали на почтовых открытках, он являлся символом города.
Большевики закрыли собор в 1937 году. В том же году была снесена колокольня. Главный колокол весом был снят с колокольни, погружен на баржу и отправлен в Уфу, однако до места назначения так и не был доставлен. Судьба его осталась неизвестной. Возможно, его утопили в реке Белой, и он до сих пор находится на дне.
Из кирпичей колокольни было построено здание средней школы №2, ныне факультет технологии и предпринимательства. Кресты с собора были сняты, а само здание было перестроено под кинотеатр, который получил название «Аврора». В 1932 году часть Троицкой площади была передана под сквер имени Ленина.
В 1956 году стал протекать купол. Местные власти, получив согласие высшего руководства, решили проблему радикальным способом — снесли купол, оборудовав здание двускатной крышей.
В 1963 году, в честь 300-летнего юбилея Бирска, в здании кинотеатра был открыт общественный музей города, который работал с перерывами до конца 1980-х годов.
Отсутствие капитального ремонта в бывшем соборе привело к печальным последствиям, храм стал разрушаться. Однако предпринималось и несколько безуспешных попыток реставрации здания.
В 1992 году кинотеатр был закрыт, поскольку здание находилось уже в аварийном состоянии, и требовался его капитальный ремонт. Было принято решение, что дешевле построить новое здание кинотеатра, чем ремонтировать старое. На тот момент здание некогда величественного Свято-Троицкого собора находилось в катастрофическом положении: протекала крыша, были выбиты окна. Бывший кинотеатр стал прибежищем для алкоголиков и бомжей. Средств на реставрацию не нашлось и чтобы хоть как-то сохранить памятник архитектуры, его законсервировали: закрыли все двери и замуровали окна. На протяжении 1990-х годов решалась дальнейшая судьба Свято-Троицкого собора.
В 1994 году снова вернулись к идее реставрации здания, правда уже частичной — лишь внешнего облика. Но не нашлось средств.
В 1996 году возникла идея использовать бывший кинотеатр под исторический музей. Предлагались и другие варианты: восстановить кинотеатр, открыть торговый центр, картинную галерею и прочее.
В 1997 году здание передали Уфимской епархии.
В 2000-е годы началась реставрация собора.
В 2007 году началось восстановление купола. При вскрытии старой крыши, сделанной в 1950-е годы, были обнаружены 4 фрески евангелистов: Матфея, Марка, Луки и Иоанна.
В 2008 году работы были приостановлены.
В 2012 году вновь был поднят вопрос о реставрации собора.
3 июня 2012 года, в День Святой Троицы, Преосвященнейший Амвросий, епископ Нефтекамский и Белебеевский, совершил молебное пение в стенах собора, что послужило началом его возрождения.
В январе 2013 года начались восстановительные работы.
3 апреля 2013 года, епископ Амвросий совершил закладку колокольни.
8 июня 2013 года был установлен основной купол и привезено 12 колоколов.
9 сентября 2013 года на звонницу собора были подняты купол и крест. Также был установлен крест на главный купол храма.
14 сентября 2013 года, в рамках празднования 350-летия города Бирска, состоялся крестный ход к стенам Свято-Троицкого собора. На площади был совершен водосвятный молебен и прочитан акафист перед мощами Иоанна Предтечи.
8 января 2015 года, в восстановленном соборе впервые за 78 лет была отслужена Литургия, а богослужения стали совершаться регулярно.
В июле 2017 года, была образована Бирская епархия, а Свято-Троицкий собор стал ее главным храмом.
