В 1909 году было принято решение о строительстве нового храма на этом месте. Строительство было начато в 1911 году. 12 октября 1914 церковь была освящена. В советское время (1 октября 1929 года) церковь была закрыта, а в ее здании планировалось разместить кинотеатр, который стал бы первым в заречной части города. Но решением городского совета в здании разместились экспозиции краеведческого музея. С 1931 по 1932 год музей был перевезен в Христорождественский собор. Но после сноса последнего, музей был возвращен в здание Свято-Троицкой церкви. В 1987—1988 годы здание было реставрировано. С 1990 года здание было передано Челябинской и Златоустовской епархии и повторно освящено. Художественные работы внутри храма выполнил художник Н. Ф. Костюк.
Центральный исторический архив Москвы ответил на запрос уральцев, что «кроме страховой оценки, других документов о Свято-Троицком соборе Челябинска не обнаружено».
После уничтожения Христорождественского собора — Свято-Троицкая церковь стала самым крупным храмом Челябинска.
