5/18 июня 1848 года состоялась закладка на месте, указанном великим Старцем. Строительство собора почти не велось до 1865 года, пока игумения Мария не смогла привести в порядок хозяйство монастыря. Из-за смуты деньги, пожертвованные на собор, в обитель не попали, и постройку продолжили на малые средства. Неподалеку устроили завод на монастырской земле и стали делать свой кирпич.
Первоначально предполагалось освятить собор в честь иконы «Умиление» Божией Матери, но Нижегородский епископ Иоанникий определил его во славу Живоначальной и Животворящей Троицы. Что на это было изволение Божие, подтвердилось особым знамением, когда при воздвижении креста в 1874 году на виду всех присутствующих над крестом в вышине вились три белых голубя, а ниже три журавля описывали равномерные круги. Немало чудес являлось в строящемся соборе.
Зимой он был заколочен, но внутри слышались звуки непрекращающейся работы. Временами, вечером или ночью, видели над собором необыкновенный свет. А в 1875 году преосвященный Иоанникий неожиданно для обители решил освятить собор лишь с тремя необходимыми иконами. День освящения совпал с праздником иконы «Умиление» Серафимо-Дивеевской - 28 июля/10 августа.
В честь этой иконы был освящен в 1880 году 2/15 июня правый нижний придел. 3/16 июня 1884 года освятили справа на хорах престол во имя иконы Божией Матери Владимирской-Оранской, а на следующий день - левый придел на хорах в честь Третьего обретения главы Иоанна Предтечи.
Левый нижний придел игумения Мария оставляла неосвященным в течение 28-ти лет, с верой ожидая прославления батюшки Серафима. 22 июля/4 августа 1903 года, сразу после прославления Преподобного, придел был освящен. Автором проекта собора был архитектор А.И. Резанов, ученик академика К.Д. Тона, завершавший строительство храма Христа Спасителя в Москве после кончины учителя. Вероятно, поэтому нельзя не заметить сходства Троицкого собора с московским храмом.
В Троицком соборе находилась чудотворная икона Божией Матери «Умиление», пред которой всегда молился и коленопреклоненно скончался батюшка Серафим.
Последнюю перед разгоном монастыря всенощную под праздник Рождества Богородицы 21 сентября 1927 года служил в соборе иеромонах, оказавшийся в Дивееве после разгона Саровского монастыря, так как в тот день арестовали всех дивеевских священников.
В октябре 1989 года Троицкий собор был передан церковной общине. Весной 1990 года при сиявшей в чистом небе радуге был водружен крест. Богослужения в соборе возобновились в субботу Похвалы Пресвятой Богородицы в апреле 1990 года, когда был освящен главный придел. С 1 января 1991 года службы в главном дивеевском соборе совершаются ежедневно.