Строительство начато в 1668 году, по указу царя Алексея Михайловича (Тишайшего) и царицы Марии Ильиничны (Милославской), которые сделали крупный денежный вклад в монастырскую казну. В 1688 году по указу царей Петра и Иоанна на достройку собора было отпущено 300 рублей. Окончательно его постройка завершена в 1706 году.
По своему внешнему виду церковь представляла собой довольно редкий тип в архитектуре. Первоначально пятиглавый собор был однопрестольным с трехъярусной шатровой колокольней. В 1851 году к храму была пристроена трапезная с двумя пределами: Воскресения Христова и Воскрешения праведного Лазаря. Ни трапезная, ни колокольня до наших дней не сохранились.
Собор характерен древней русской культовой архитектуре. Здание имеет большой кубический объем, его венчает традиционное пятиглавие. Строение повторяет основные конструкции Успенского собора московского Кремля, возведенного итальянским зодчим А. Фиорованти (1479 г.). Архитектурный образ и композиция Троицкого собора решены в тех же строгих и лаконичных формах.
Собор является историческим памятником федерального значения.
Храм был пожалован щедротами царской семьи: «…всяким церковного благолепия украшением и утварью, и Святое Евангелие, животворящий Крест и священные сосуды большие, все серебреные, позлащеные, тако же покровы, ризы, стихари, подризник и пелены бархатные и атласныя и разных шелковых материй с золотом и серебром, удовольствована Их Величества Казною и собственным вкладом, для поминовения погребенных в оном монастыре Благоверныя Государыни, царицы Марии Ильиничной родственников по фамилии Милославских, без всякого недостатка».
Благорасположение к родне царицы было настолько велико, что в 1681 г. царь Федор Алексеевич хотел учредить в Болхове новую епархию, в состав которой вошли бы города Мценск, Новосиль, Карачев, Кромы и Орел, но при жизни не успел этого сделать.
В притворе Троицкого храма погребен знаменитый настоятель монастыря архимандрит Макарий (М.Я. Глухарев, 1792-1847 гг).
Источники: 1) Неделин В.М., Ромашов В.М. Архитектурные древности Орловщины (ушедшее). Книга вторая. — Орел: «Вешние воды», 2009. 2) Болхов из глубины веков до наших дней. Книга вторая (дополненная) / Ред. коллегия: В.Н. Поярков, Л.В. Диконова, Ю.И. Фастов и др. — Болхов, 2023.