Собор был построен в 1868 г. на месте первой в Симферополе греческой церкви (1796 г.).

После разрушения Александра-Невского Собора в начале 1930-х гг. к Свято-Троицкому храму перешел статус кафедрального собора, каковой он сохраняет за собой по сей день. С 1996 г. в соборе хранятся мощи архиепископа Симферопольского и Крымского святителя Луки (В.Ф.Войно-Ясенецкого), которому ежедневно совершается акафист.

С 1996г. в Свято-Троицком соборе находится святыня не только города, но и всего Крымского полуострова – мощи святителя Луки (В.Ф.Войно-Ясенецкого), а также чудотворная икона Божьей Матери «Скорбящая».

22 ноября 1995 года решением Синода Украинской Православно Церкви архиепископ Симферопольский и Крымский Лука причислен к лику местночтимых святых. 20 марта 1996 года мощи святителя были торжественно перенесены в кафедральный Свято-Троицкий собор, где они покоятся и поныне, совершая чудеса исцеления. В 2000 году на юбилейном Архиерейском Соборе Русской Православной Церкви архиепископ Лука был причислен к новомученникам и исповедникам.

Прямо напротив храма, где под узорчатой сенью покоятся мощи Святителя Луки, открыт его небольшой, но очень светлый и уютный музей, где предложат Вам ознакомиться с жизнью известного хирурга (в миру Валентин Феликсович Войно-Ясенецкий).