Открытие в 1834 году Томской епархии потребовало строительства здания кафедрального собора, поскольку Благовещенский храм, принявший на себя статус кафедрального, был тесен.

В 1842 году городское общество приняло решение о строительстве кафедрального собора во имя Святой Живоначальной Троицы с приделами с приделами святителя Николая Чудотворца и святого князя Александра Невского, по плану и фасаду Введенской церкви лейб-гвардии Семеновского полка в Петербурге, составленному известным архитектором Тоном, автором проекта храма Христа Спасителя в Москве. Начался сбор средств на сооружение храма.

Закладка собора была совершена 3 июня 1845 года.

26 июля 1850 года, когда строительство подходило к концу, купол и верхняя часть храма обрущились во внутрь здания. Работы по сооружению храма остановились.

В 1858 году работы возобновились и продолжались до 1861 года, когда за неимением средств снова остановились.

В продолжение следующих 24 лет собор представлял собой печальный вид развалин. Одно время в городской думе было внесено предложение, разобрать собор, а материал употребить на постройку строившегося тогда в Томске университета.

С 1886 года старанием епископа Владимира (Петрова) и бывшего городского головы П.В.Михайлова, пожертвовавшего 2000000 кирпича с доставкой на место, постройка собора возобновилась. Был учрежден комитет по постройке храма, деятельно занявшийся сбором пожертвований. Собор построен исключительно на добровольные пожертвования, которых поступило с 1842 года 649136 рублей 9 копеек .

К собору были приписаны: 1) Кладбищенская церковь в г. Томске во имя Вознесения Господня; 2) церковь на заимке Степановка, в 3 вер. От г. Томска во имя Св. Первомуч. Архидьякона Стефана; 3) часовня в г. Томске, у Дальнего ключа; 4) Преображенское кладбище в г. Томске.

В соборе находилась икона святителя Николая — точная копия чудотворного образа из итальянского города Бари. Икона была подарена собору цесаревичем Николаем Александровичем (будущим императором Николаем II) во время пребывания в Томске 5-6 июля 1891 года.

«Большой» колокол звонницы храма имел вес 339 пудов 30 фунтов.

В 1920 году 14 сентября церковная община Троицкого кафедрального собора «в бесплатное и бессрочное пользование» здание и церковное имущество собора .

После ареста в мае 1922 года Преосвященного Виктора (Богоявленского) за «противодействие органам власти при изъятии церковных ценностей» церковная власть в Томске была захвачена группой обновленцев во главе с Петром Блиновым. Кафедра обновленческого лжеепископа Петра (Блинова), а после него Сергия (Дмитриевского) располагалась в Троицком кафедральном соборе.

в 1924 году на заседании общины (14 августа)Троицкий кафедральный собор был объявлен "автокефальным, то есть совершенно самостоятельным и не находящимся от кого-либо в канонической зависимости». Следствием этого решения вместо удаленного из собора обновленческого епископа Сергия (Дмитриевского) был приглашен на служение архиепископ Димитрий (Беликов), придерживавшийся канонической ориентации.

С приходом в собор канонического епископа количество верующих на богослужениях резко увеличилось. В списки прихожан Троицкого собора записалось 805 человек. Для «усиления средств собора» в нем стали устраивать духовные концерты.

В начале марта 1927 года в Томске работал епархиальный съезд под председательством архиепископа Димитрия (Беликова). В сложившейся обстановке, когда связь Томской епархии с высшей церковной властью была прервана, в церковном управлении наблюдались противоречия, съезд принял решение о создании автокефального епархиального церковного совета староканоническои ориентации .

Поддержав позицию епископа Г ригория (Яцковского), 9 июля 1928 года на съезде духовенства григорианской ориентации (23 делегата которого представляли все сибирские епархии) архиепископ Димитрий был избран митрополитом Сибирским , а Троицкий собор стал митрополичьей кафедрой томских «григорианцев».

В 1930 году положение верующих в городе ухудшилось. На ежегодные крестные ходы с чудотворными иконами городской властью был наложен запрет. На предприятиях, в городских учреждениях составлялись многотысячные списки с требованиями закрытия церквей Томска, и в первую очередь Троицкого собора. Помимо «гневных заявлений трудящихся о вреде религии», в качестве причин для закрытия храма выдвигались и такие: у верующих нет средств для дорогостоящего ремонта церковных зданий, в городе катастрофически не хватает жилья, клубов, культурных учреждений, поэтому необходимо приспособить для этих целей никому не нужные церковные сооружения.

Однако Президиум Сибирского Краевого исполкома на заседании 18 марта 1930 года отклонил ходатайство Томского Окрисполкома о ликвидации Троицкого кафедрального собора в городе Томске. Тем не менее, Томский Окружной исполком (ОИК) с такой завидной настойчивостью убеждал Сибирское Краевое начальство в ненужности городу величественного храма, что, наконец, на заседании 5 мая 1930 года Президиум Сибирского Краевого Исполкома Советов 3-го созыва решил: «Предложить Томскому ОИКу объявить о сдаче верующим в пользование Троицкого собора. Если в установленный срок ходатайств от верующих о передаче им в пользование не последует, то религиозный пункт, находившийся в кафедральном соборе считать ликвидированным».

Троицкий кафедральный собор был закрыт, а в 1934 году он был взорван и разобран на кирпичи.

Ль уничтоженного здания сохранился фундамент, засыпанный слоем земли и засаженный деревьями.

В 1991 году на месте собора Святейшим Патриархом Московским и всея Руси Алексием II был освящен камень в основание часовни в память об уничтоженной святыне.

Распоряжением главы городской администрации Александром Макаровым, площади, на которой стоял собор, переименованной большевиками в площадь Революции, возвращено прежнее название «Новособорной».
Литература Евтропов К.Н. История Троицкого кафедрального собора в Томске. Томск: Д-Принт, 2008. 423 с.
Справочная книга по Томской епархии. Томск, 1914. С. 89.
Безруких Олег, протоиерей. Храмы города Томска. Опыт церковного историко-археологического исследования : дис. на соискание ученой степени кандидата богословия по кафедре церковной археологии Сергиев Посад, Троице-Сергиева Лавра. 2003. С. 101-105

Старинные храмы.рф