Троицкий собор был построен в 1827-1841 гг. Автор проекта - архитектор Михаил Петрович Коринфский (Варенцов) (1788-1851 гг). Он учился в Арзамасской школе живописи, затем в Академии художеств. Проходил практику на строительстве Казанского собора в С-Петербурге у известного зодчего А.Н. Воронихина, дома графа Строганова, дачи Зиновьева и др. Свыше десяти лет молодой зодчий проектировал и сооружал церкви, казенные и частные здания в родном Арзамасе, других местах Нижегородской и Пензенской губерний. В 1823 году М.П. Коринфский принял предложение занять место архитектора симбирского дворянского собрания. В действительности же одаренного архитектора пригласили для срочной разработки проекта величественного храма, который был заложен 7 сентября 1824 г. в присутствии императора Александра I, который собственноручно положил в его основание первый камень и известку, "нарочно приготовленною для сего случая серебряною золоченою лопаткою", поднесенною князем М.П. Баратаевым.

К 1832 году каменная кладка собора была окончена. Архитектор мог гордиться своим творением: получилось благородное по общему силуэту сооружение, более зрелое и законченное, чем Воскресенский собор в Арзамасе. 22-23 августа 1836 года Симбирск посетил император Николай I. Во время посещения города он сделал мого указаний по возведению новых построек города, особенно центральной его части с недостроенным собором. Через пять лет, 15 сентября 1841 года новый кафедральный Свято-Троицкий собор был освящен.

Построенный в стиле классицизма, крестообразный в плане и окруженный четырьмя коллонадами, над которыми возвышался один купол, своим видом он несколько напоминал Исаакиевский собор в Петербурге. Собственной колокольни при новом соборе не было. Внутри Свято-Троицкий собор поражал своим обширным пространством и яркой настенной живописью. Со времени старого города в нем сохранялся Образ Спаса Нерукотворного, первоначально находившейся на главных воротах Симбирска. В отношении к ближайшему окружению собор представлял собой объект архитектурного ансамбля, включающего ряд зданий, выполненных, как и собор, в стиле классицизма. При его помощи удалось сформировать в середине XIX века в центральной части Симбирска целую систему памятников архитектуры и градостроительного искусства. В эту систему вошли дома Дворянского собрания, губернского правления, губернаторский дом (снесен при стоительстве Ленинского мемориала), губернская гимназия .

В 1927 году Свято-Троицкий собор был включен в число охраняемых памятников архитектуры. Однако местные власти все же подняли вопрос о сносе храма, на что из Комитета по охране памятников при Президиуме ВЦИК пришел ответ: "..указанное здание требует, как высокохудожественный памятник, безусловного сохранения..." Но в 1937 году в нарушение преписания Комитета ВЦИК кафедральный собор был разрушен. Ныне на этом месте лишь ровная гладь асфальта.

В настоящее время развернулась дискуссия о возможности воссоздания собора. В одно время на площади Ленина, за зданием Сельхозакадемии, появилось огороженое место с паспортом объекта, но после ожесточенных споров и забор и паспорт объекта сняли.