К началу XVIII века Свято-Троицкий монастырь был в ветхом состоянии. Особо возлюбив эту обитель, митрополит Филофей решил привести ее в благоустройство и великолепие. Поскольку ссыльных людей в Тюмени было немного, особенно каменщиков, 6 человек, 4 из которых занимались строительством Благовещенского собора, то к строительству церкви вскоре стали привлекать местных жителей.
Указом от 12 июня 1709 года император Петр повелел отпустить из Тобольской казны на строительство церкви тысячу рублей, кроме листового железа на крышу. Теперь, когда Петром I была пожалована тысяча рублей, стало возможным использовать труд наемных рабочих. Постарался помочь митрополиту губернатор князь Гагарин, который распорядился отправить строить монастырь нескольких каменщиков и кирпичников из Верхотурья и Соли Камской. По распоряжению губернатора строительство обеспечивалось также кузнецами и плотниками.
На седьмом году пребывания в Сибири святитель Филофей тяжко заболел. В 1709 году митрополит Филофей принимает схиму с именем Феодора и удаляется на покой в Свято-Троицкий монастырь. До прибытия 14 августа 1711 года митрополита Тобольского Иоанна Максимовича управлял епархией из монастыря. Схимонах Феодор остается в обители, и строительство собора идет теперь под его непосредственным руководством. 9 декабря 1714 года вышел указ Петра I, запрещавший повсеместно в городах, кроме Санкт-Петербурга, каменное строительство. Но в Тюменской обители строительство продолжалось. В процессе строительства собора названия Престолов, их расположение претерпевали некоторые изменения, но центральная часть, Троицкая, осталась такой, какой задумал ее святитель Филофей.
В 1715 году собор был построен, и схимонах Феодор просил у правящего архиерея, святителя Иоанна, благословенной грамоты на его освящение. Вскоре эта грамота была получена: «Великий господин преосвященнейший Иоанн, Божиею милостию митрополит Тобольский и всея Сибири преосвященному архиерею, схимонаху Феодору радоватися о Господе. В нынешнем 115 году в июня в 3 день нажелание преосвященства вашего мы великий господин позволяем в Тюмени при Спасове монастыре, новопостроенную каменную церковь во имя Пресвятыя и Живоначальныя Троицы посланным от нас освященным антиминсом посвятить паствы вашея архимандриту или игумену, из которой обители преосвященство ваше призвать изволит, с прочими града Тюмени с протопопы и со священники соборне, по приданию святыя апостольския восточныя Церкви малым освящением. И по сей нашей благословенной архиерейской грамоте, преосвященству вашему о посвящении тоя церкве по вышеписанному велеть исполняти невозбранно. К сей благословенной грамоте великий господин преосвященнейший Иоанн митрополит Тобольский и всея Сибири велел печать свою приложить».
Троицкий собор был освящен 3/16 июня 1715 года. Двухэтажный, пятиглавый Троицкий собор стал настоящей жемчужиной обители. Внутри храм был украшен великолепными иконостасами, блистающими позолотой и яркостью красок, в живописном стиле. Как видно из «Завещания», собор должен был иметь пять престолов: кроме главного Троицкого, второй – Успения Пресвятой Богородицы, в память его пострижения и воспитания в Киево-Печерской лавре; третий – в честь Преображения Господня, чтобы сохранить старое название монастыря в одном из его престолов; четвертый – на хорах, в память великомучеников Георгия Победоносца и Димитрия Солунского; пятый, «южный» — в честь преподобных отцов Антония и Феодосия Киево-Печерских. Предполагавшийся четвертый престол устроен не был.
Внутреннее убранство собора поражало своей красотой: храм был очень светлым, что в основном не свойственно древним храмам, обычно погруженным в полный мрак. Великолепный пятиярусный резной иконостас блистал позолотой и яркостью красок. Все иконы в храме были написаны мастерами-монахами, вызванными святителем Филофеем из Киева. Первый иконостас Троицкого собора просуществовал полтора столетия. Не менее красивым был и иконостас Преображенского придела, сохранившийся до 1920-х годов. Верхняя часть иконостаса над Царскими вратами изображала Евангельскую историю Преображения Господня. О том, кто и когда расписывал стены собора, данных не сохранились.
Свято-Троицкий собор был закрыт 11 августа 1923 года. Несмотря на происходящие в стенах обители перемены, бывшие прихожане Свято-Троицкого монастыря не теряли надежды на возобновление в нем богослужений. В 1925 году они образовали общину Свято-Троицкого соборного храма, названную Свято-Троицким Затюменским религиозным обществом, состоящим из 257 человек, и утвердили устав, зарегистрированный в окружном административном отделе. На заявления уполномоченных общины о проведении богослужения в Троицком соборе и передачи ее в пользование предметов церковной утвари последовал отказ краевого административного отдела. После 1927 года новых попыток восстановить молитвенную жизнь в обители не предпринималось.
На заседании Священного Синода 22 февраля 1995 года было принято решение о возрождении Свято-Троицкого монастыря. 2 сентября 1995 года Троицкий собор посетили епископ Василий Родзянко и епископ Тобольский и Тюменский Димитрий. Епископ Василий выразил огромную уверенность, что Троицкий собор еще возродится в своем былом великолепии. 7 марта 1996 года экспертная комиссия составила акт обследования состояния Троицкого собора для установления необходимых ремонтно-реставрационных работ. По заключении комиссия сделала вывод, что работа предстоит большая, чтобы привести собор в надлежащий вид.
10 декабря 1996 года Троицкий собор был передан Тобольско-Тюменской епархии. Первое богослужение в Успенском приделе Троицкого собора было совершено 28 августа 2001 года. С этого дня в приделе стали совершаться регулярные богослужения.
16 ноября 2001 года губернатор Тюменской области С.С. Собянин посетил Троицкий собор, выразив озабоченность состоянием уникального памятника, обещал всестороннюю помощь в деле восстановления собора. После праздника Рождества Христова в 2002 году начались работы в главном приделе собора. 29 ноября 2002 года начался монтаж иконостаса собора. 17 марта 2003 года начались работы по установке иконостаса.
15 июня 2003 года первое после 80-летнего перерыва богослужение в Троицком соборе совершил архиепископ Тобольский и Тюменский Димиртий. 28 ноября 2005 года были установлены новые позолоченные купола на главы собора, покрытых нитридом титана.
В феврале 2014 года собор был закрыт на капитальную реставрацию.
