В 1827 году, представители Тамбовской епархии присутствовали на освящении Преображенского собора в Санкт-Петербурге, который был возведен по проекту известного русского зодчего В.П.Стасова. Храм поразил святых отцов своим величием и великолепием, поэтому они единодушно решили построить такой же и на Тамбовщине.
Выбор их пал на Моршанск, и когда об этом стало известно, городские купцы «замахнулись» на собор красоты невиданной, и чтоб непременно был выше «Исаакия» (Исаакиевского собора в Петербурге). Однако их планам было суждено осуществиться только наполовину — 5 декабря 1830 года император Николай I проект утвердил, но сделал приписку: «Выше Исаакия не строить».
Строился на пожертвования горожан. В 1857 году храм во имя Святые Единосущные и Животворящие Троицы был освящен. 24 ноября того же года в нем состоялась первая служба.
Собор имел три иконостаса: главный престол — Троицкий, левый — Александра Невского, правый — Казанской Божией Матери. Иконостасы выполнялись в московской мастерской, иконы писал столичный иконописец Борисов.
Пол в соборе сначала был белокаменным, затем его выложили метлахской плиткой (сохранившейся и в настоящее время). Купола венчали кресты из золоченого железа. Главный купол также был золоченым, остальные сделаны под серебро. Высота собора составляла 75,6 м, полезная площадь — 2500 м. Своды храма освещало паникадило в 60 пудов весом с 52 серебряными подвесками работы московского мастера Марухина.
В 1914 году его посетил император Николай II.
В годы советской власти Троицкий собор был закрыт — в 1937 г.
В 39-м с него сорвали купола, а само здание стало использоваться как складское помещение.
В 1970—80 гг. собор пытались реставрировать как памятник архитектуры, но пожар уничтожил большую часть того, что было сделано. В 1990 г.Троицкий собор передали верующим, начались ремонтные работы, и с 1998 г. в нем совершаются регулярные богослужения. В этом же году собор посетил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II.
В 2007-2017 годах производится замена кровли всех куполов, замена пяти крестов с их озолочением, осуществляется побелка всего храма, остекление рам собора, установка колоколов малой звонницы. Восстановлен центральный иконостас с иконами.
