В 1708 году, на месте сгоревшей деревянной Троицкой церкви, в Якутске начали строительство нового каменного собора. Трудились над ним мастера, присланные из Тобольска.

Кирпич для кладки стен производился поштучно, поэтому сооружение новой церкви растянулось на двадцать лет. В 1727 – 1728 годах, когда стройка была завершена, собор во имя Пресвятой и Живоначальной Троицы стал духовным средоточием города.

Он представлял собой распространённый в северных областях России кубообразный храм с низким куполом, увенчанным одной главой. Освещение давали два яруса окон, украшенных по фасаду нарядными наличниками. Позже с восточной стороны, перед алтарём, возвели отдельно стоящую каменную колокольню, и все последующие годы храм не единожды расширяли.

Собор был построен  в один этаж и разделен на две половины: на зимнюю и летнюю. Последняя, отличалась богатым иконостасом под золото. Все иконы были писаны кистью иркутского живописца Мурзина. Стены и купол были раскрашены клеевыми красками якутским живописцем казаком Дониным.

Позднее, в 1870 году, в связи с образованием Якутской епархии собор получил статус кафедрального. 19 июля 1859 года в нём впервые была совершена Божественная литургия на якутском языке.

Храм был закрыт Советской властью в сентябре 1929 года. В советское время в перестроенном здании власти разместили Якутский музыкально-драматический театр. Потом в нём находилась филармония, а до недавнего времени – Государственный театр эстрады.

Лишь в 2014 году перестроенный до неузнаваемости храм был возвращён Русской Православной Церкви.

В настоящее время Троицкий собор является старейшим зданием Якутска.