Собор был основан 15 августа 1861 года и возведен на средства верующих. Он стал первым каменным зданием, построенным в «новой» Колывани.

Главный престол собора освящен в честь Святой Троицы, правый придел - во имя святой великомученицы Екатерины, левый - во имя мученицы Наталии и преподобного Кирилла диакона. Существует мнение, что проект Троицкого собора был выполнен известным архитектором Константином Андреевичем Тоном – автором проекта храма Христа Спасителя в Москве, или кем-то из его учеников.

Богослужения в соборе совершались до 1932 года, затем решением Западно-Сибирского Крайисполкома был закрыт. Впоследствии здание храма переделали: купол, колокольня и главки были разрушены, а в 1950-е годы западный фасад получил завершение треугольным фронтоном с советской символикой.

Здание неоднократно переходило от одной организации к другой. До конца 1980-х годов здесь размещался кинотеатр «Победа», а с 1990-х — вещевой рынок, страховая компания, медицинский кооператив.

В 2010 году здание передано Новосибирской епархии Русской Православной Церкви и сейчас является памятником архитектуры регионального значения. Работы по восстановлению и реставрации Собора, а также благоустройству прилегающей территории с устройством ограждения проводились с 2016 года.

Митрополит Никодим сердечно поздравил прихожан храма и паломников со знаменательным днём в жизни Новосибирской области. «В этот храм стекалось множество людей, здесь люди крестились, исповедовались, причащались, общались, затем крестили своих детей, в этом храме их отпевали - этот храм воистину был домом всей Колывани. Но пришли богоборческие времена, храм был не просто разрушен - он был разорен. Но эти времена прошли, история возвращается к истокам. И тогда жители Колывани предпринимают все усилия, чтобы восстановить этот храм, находят старинные документы, описывающие размеры храма, по которым был восстановлен храм. И ныне мы освятили его великим чином, дабы благодать Божия пребывала на месте сем и на каждом входящем в этот храм сей собор», - сказал в своей проповеди архиерей. 

С важным событием в жизни региона православных верующих поздравил губернатор Новосибирской области Андрей Александрович Травников:

«Этот проект долгожданный, и как 150 лет назад в реставрации этого здания принимали участие все вместе - священнослужители, жители Колывани, власти. Для колыванцев это место святое. Когда встал вопрос о месте для Мемориала Славы - места священной памяти и уважения к предкам, тем, кто сложил свои головы, защищая нашу Родину, сегодняшним её защитникам - выбор пал на территорию рядом с Собором Святой Троицы», - отметил глава региона.