Свято-Троицкий храм был заложен в Екатеринодаре 3 октября 1899 года в память о чудесном спасении императорской семьи Александра III при крушении царского поезда в октябре 1888 года у станции Борки. Проект был разработан главным архитектором Екатеринодара Иваном Мальгербом.

В 1902 году на месте будущего храма открылся молельный дом. В том же году началась кладка колокольни и покрытие крыши. 29 июня 1904 года на купола в торжественной обстановке подняли кресты и произошло освящение престола нижнего храма в честь Серафима Саровского. С 1905 по 1907 годы по причине нехватки средств строительство приостановили.

В декабре 1907 года для постройки иконостаса и написания икон для него, а также для внутренней росписи храма в город приехали известные московские мастера Сафонов и Стрелков.

7 июня 1910 года во второй день Троицы — праздник Святого Духа — церковь торжественно освятили. Во дворе храма действовала церковно-приходская школа и городское начальное училище.

В восьми нишах между оконными проемами расположены образы восьми святых: Серафима Саровского, Великомученницы Екатерины, Патриарха Тихона, равноапостольной Ольги, Николая Чудотворца, епископа Кавказского Игнатия, Иоанна Кронштадтского и Василия Великого.

Во время богоборческой кампании 1920-х гг. из храма изъяли церковные ценности, а в 1937 году его закрыли. До начала войны в здании располагались институт «Крайпроект» и склад драмтеатра. Летом 1942 года во время обороны Краснодара от немцев на колокольне находился наблюдательный пункт для корректировки огня советской артиллерии.

В 1942 г. богослужение в храме было возобновлено, однако, по окончании войны, собор снова был закрыт.

Во время запустения всё, что находилось в церкви, было экспроприировано советской властью: драгоценная утварь, иконы, мебель, иконостасы. Росписи храма было приказано замазать масляной краской в несколько слоев.

Когда понадобилось помещение для сооружения 20-метрового монумента «Созидателю», позже установленному на улице Мачуги, на склад пустили группу архитекторов, которые прижились на новом месте, и с начала 1970-х скульптурный цех художественного комбината краевого отделения Художественного фонда РСФСР окончательно вытеснил Горплодоовощторг из здания храма.

В 1979 году храм был признан памятником архитектуры и взят под охрану государства, а еще через 10 лет был возвращен Русской православной церкви.

14 января 1990 года в Троицком храме возобновились богослужения, а в мае 1993 года храм получил статус соборного. Были отреставрированы три алтаря, воссозданы настенная живопись и иконостасы двух приделов. Деньги на восстановление собирали всем миром.

Летом 2006 года на территории собора открылась Екатеринодарская духовная семинария. Также при соборе действует воскресная школа для детей.

16 сентября 2008 г. в Краснодаре на территории Свято-Троицкого собора прошла церемония перезахоронения останков известного кубанского историка и общественно-политического деятеля Федора Андреевича Щербины, привезенных из Праги, где окончил свою жизнь в 1936 году прославленных кубанец.