В рисах цієї монументальної споруди, що першою мурованою постала на початку XVIII століття  посеред однієї з найстаріших православних обителей Сибіру, дослідники водночас вбачають і вияв аскетичного давньоруського початку, і урочисті шати традиції українського бароко, і навіть нагадування про конусоподібну вертикальну форму буддійської ступи-субургана.

Її історія розпочинається із того, що у липні 1705 року майже вщент вигорів заснований московитами на місці Чингі-Тури, столиці Сибірського ханства, Тюменський острог. Разом із ним полум’я винищило й тутешній Преображенський чоловічий монастир, який за дев’яносто років до того наказав зорганізувати перший російський цар з династії Романових, Міхаіл Фьодорович.

Місцевим митрополитом – Сибірським і Тобольським – в той час служив вихованець Києво-Могилянської академії, колишній економ Києво-Печерської Лаври, отець Філофей. У миру він мав ім’я Рафаїл Лещинський, і не виключено, що був сином коронного підканцлера Речі Посполитої, князя Богуслава й німецької принцеси, доньки воєводи Серадзького, Анни фон Денгофф.

Отримавши 1700 року від царя Пєтра I митрополичий сан, Філофей одразу розпочав на доручених йому землях, що простягалася від Уральських гір і Киргизьких степів до Північного Льодовитого і Тихого океанів, масштабну місіонерську діяльність. Відправляв священників на Камчатку і брав участь у місії в Китаї, особисто проповідував християнство язичникам і знищував предмети давніх місцевих культів. Тобто, активно сприяв московському колонізаторству Азії. А також відкрив першу в Сибіру слов’яно-руську парафіяльну школу, за взірцем аналогічних закладів Гетьманщини, й заснував перший у Тобольську церковний хор, запросивши співати у ньому запорізьких козаків.

Кам’яне будівництво згідно імперських порядків на початку XVIII століття у Тюмені не передбачалося. Однак, митрополит Філофей переконав Пєтра, що тутешній монастир може стати потужним осередком навернення сибіряків у православ’я, а також центром боротьби із розкольниками, старовірами. Тож, він виклопотав дозвіл побудувати тут

невелику кам’яну милостиню мирських людей церкву.

Зрештою, в червні 1709 року із тобольської скарбниці на зведення собору Трійці у тюменській обителі імператором було наказано виділити тисячу рублів. Це дозволило братії винайняти нарешті будівничих й розпочати мурування. Також кількох каменярів, ковалів і теслярів надіслав монастирові тодішній губернатор Сибіру, князь Матвій Гагарін. До слова, за десять років цього чиновника було страчено за спробу організації незалежного Сибірського царства.

Згідно однієї з версій, проектантом храму початково виступив тобольський майстер Матвій Максимов. Це він почав втілювати сувору кубічну споруду, типову для московських смаків. Однак, того ж таки 1709 року Рафаїл Лещинський, пославшись на різке погіршення здоров’я, відмовився від посади митрополита й прийняв у Преображенській, на тоді ще, обителі схиму, взявши ім’я Феодор. І хоча до прибуття нового очільника єпархії він цілих два роки керував нею з монастиря, та більше уваги, здається, зосередив таки на розвитку власного місця прибування. Тож, найімовірніше, за побажань і бачення киянина майбутній Троїцький собор раптом отримав характерні українські грушоподібні бані. Які до того ж стали не по кутах квадрату, як водиться на Московщині, а подібно до церков Гетьманщини – хрестом довкола центральної.

Також схимонах Феодор, він же святитель Філофей, наполіг аби у новому величному храмі було п’ять престолів:

• головний, на честь Живоначальної Трійці;
• другий, на загадку про прийняття чернецтва в Свято-Успенській Києво-Печерській лаврі – присвячений Успінню Пресвятої Богородиці;
• третій, південний, в шану засновникі київської стародавньої обителі – Антонія і Феодосія Печерських;
• четвертий, на хорах – на честь Юрія Змієборця і Димитрія Солунського (який так і не влаштували);
• п’ятий, на честь Преображення Господнього.

Власне, назва останнього вівтаря мала зберегти в пам’яті нащадків первісне найменування тюменської обителі. Доти ж бо вона була Преображенською, а із довершенням нової соборної церкви стала зватися також Троїцькою. Храм було освячено 3 червня 1715 року. Зберіглося звернення з цього приводу отця Феодора (Філофея) до тодішнього митрополита Сибірського. Ним, до речі, служив тоді ще один видатний український просвітитель, засновник Чернігівського колегіуму, Іван Максимович, прославлений у лику святителів під іменем Йоана Тобольського.

Згадана ж грамота мала наступний зміст:

Великий господине преосвященніший Іоанне, Божою милістю митрополит Тобольський і всього Сибіру преосвященному архієреєві, схимонаху Феодору радіти Господу. У теперішньому сто п’ятнадцятому році в червні в третій день побажання вашого преосвященства ми великий пан дозволяємо в Тюмені при Спасовім монастирі, новозбудовану муровану церкву в ім’я Пресвятої і Живоначальної Трійці посланим від нас освяченим антимінсом присвятити пастві вашій архімандрита або ігумена, з котрої обителі преосвященство ваше покликати схоче, з іншими міста Тюмені з протопопами і зі священиками зібране, за наданням святої апостольської східної Церкви малим освяченням. І за цією нашою благословенною архієрейською грамотою, вашому преосвященству про посвяту тої церкви згідно вищеписаного наказати виконувати беззаперечно. До цієї благословенної грамоти великий господине преосвященніший Іоанне митрополит Тобольський і всього Сибіру велів печатку свою прикласти».

Собор Святої Трійці став третьою мурованою спорудою Тюмені – після зведених дванадцятьма роками раніше, ще до пожежі і пєтровської заборони на кам’яне будівництво, комор місцевої скарбниці й Благовіщенської соборної церкви. Із другою монастирський храм споріднював один виразний елемент сибірської барокової архітектури – пишна і в’юнка віконна лиштва, подібна до тою, котрою на Московії здавна оздоблюють отвори дерев’яних ізбушок.

Філофей, крім іншого, потурбувався й про те, щоб всередині по-справжньому важливої для нього храмової будови постав істинно української манери іконостас – у цілих п’ять ярусів, різьблений з дерева, яскраво розписаний і позолочений. Святі образи для нього написали спеціально викликані з Києва іконописці – мабуть що лаврські. На жаль його було втрачено в середині XIX століття. До 1920-х років від оригінальної оздоби зберігався виразний іконостас Преображенського вівтаря, але за більшовицького режиму і його знищили.

У 1715 році помер Йоан Тобольський, й за наказом царя Лещинського вдруге було призначено на митрополичу кафедру. Але прослужив на ній він недовго, й 1720 року знов випросив у деспотичного можновладця право відійти від справ. Упокоївся Філофей за сім років. Згідно заповіту був похований в тюменському монастирі, навпроти входу до Троїцького собору, аби, як задумав святий отець:

мимохідні зневажали прах ногами.

Наприкінці XIX століття, за архімандрита Філарета (Кожевникова),  над могилою святителя було влаштовано дерев’яну паперть у вигляді заскленої галереї вздовж всього фасаду храму. Над самим місцем поховання митрополита тоді ж поставили новий надгробний пам’ятник із портретом. В день його пам’яті також було прийнято звичай проводити урочисту хресну ходу.

Троїцький собор радянська влада закрила 11 серпня 1923 року. Його доля протягом наступних кількох десятиліть ніде не описується, але зважаючи на помітні втрати оздоби, храм, вочевидь, було сплюндровано і розграбовано. Лише наприкінці 1940-х років його визнали пам’яткою архітектури. Служба в стіни церкви повернулася лише на початку XXI століття. Під час ремонту 2005 року попередні бані замінили новими, вкритими блискотючим під золото нітридом титану. В останнє десятиліття була здійснена додаткова реставрація споруди, що включала поновлення розписів середини XIX століття.