Впоследствии Михаилу Васильевичу пришлось вести борьбу с саровским послушником Иваном Тихоновичем Толстошеевым, желавшим заложить собор по своему усмотрению. 5/18 июня 1848 года все же состоялась закладка на месте, указанном преподобным Серафимом.
Строительство собора почти не велось до 1865 года, пока игуменья Мария не смогла привести в порядок хозяйство монастыря. Из-за смуты деньги, пожертвованные на собор, в обитель не попали, и постройку продолжили на малые средства. Неподалеку устроили завод на монастырской земле и стали делать свой кирпич.
Первоначально предполагалось освятить собор в честь иконы «Умиление» Божией Матери, но Нижегородский епископ Иоанникий определил его во славу Живоначальной Троицы. Что на это было изволение Божие, подтвердилось особым знамением, когда при воздвижении креста в 1874 году на виду всех присутствующих над крестом в вышине вились три белых голубя, а ниже три журавля описывали равномерные круги.
Немало чудес являлось в строящемся соборе. Зимой он был заколочен, но внутри слышались звуки непрекращающейся работы. Временами, вечером или ночью, видели над собором необыкновенный свет. А в 1875 году преосвященный Иоанникий неожиданно для обители решил освятить собор лишь с тремя необходимыми иконами.
День освящения совпал с праздником иконы «Умиление» Серафимо-Дивеевской — 28 июля/10 августа. В честь этой иконы был освящен в 1880 году 2/15 июня правый нижний придел. 3/16 июня 1884 года освятили справа, на хорах, престол во имя иконы Божией Матери Владимирской-Оранской, а на следующий день — левый придел на хорах в честь Третьего обретения главы Иоанна Предтечи. Левый нижний придел игуменья Мария оставляла неосвященным в течение 28-ти лет, с верой ожидая прославления батюшки Серафима. 22 июля/4 августа 1903 года, сразу после прославления преподобного, придел был освящен.
Автором проекта собора был архитектор А. И. Резанов, ученик академика К. Д. Тона, завершавший строительство храма Христа Спасителя в Москве после кончины учителя. Вероятно поэтому, нельзя не заметить сходства Троицкого собора с московским храмом.
Долгие годы продолжалась внутренняя отделка собора. Стены были украшены замечательными живописными полотнами на темы Ветхого и Нового Завета работы дивеевских сестер. Убранство собора поражало изяществом и вкусом. В алтаре за престолом было установлено большое Распятие на фоне живописной картины. Изображение Спасителя, приносящего Себя в жертву за грехи мира, производило особое впечатление на входящих в храм.
В Троицком соборе находилась чудотворная икона Божией Матери «Умиление», пред которой всегда молился и коленопреклоненно скончался батюшка Серафим. На этом образе Богородица изображена в момент произнесения Ею слов архангелу Гавриилу при Благовещении: «Се раба Господня, буди Мне по глаголу твоему». Многих исцелял преподобный, помазывая елеем из лампады перед образом Царицы Небесной. Дивеевским сестрам Батюшка говорил: «Вручаю вас Самой Царице Небесной Умилению (иконе), Она вас не оставит!»
И ныне копия с этой иконы, написанная в начале XX века и также чудотворная, занимает почетное место в Троицком соборе в правом киоте, как указание на то, что Верховной Игуменьей Дивеевской обители является Пресвятая Владычица наша Богородица. Неопустительно каждое воскресенье, перед литургией, по заповеди преподобного, пред иконой служится нараспев Параклис (особое молебное пение по уставу Афонской горы). Последнюю, перед разгоном монастыря, всенощную под праздник Рождества Богородицы 21 сентября 1927 года служил в соборе иеромонах, оказавшийся в Дивееве после разгона Саровского монастыря, так как в тот день арестовали всех дивеевских священников.
В октябре 1989 года Троицкий собор был передан церковной общине. Весной 1990 года при сиявшей в чистом небе радуге был водружен крест. Богослужения в соборе возобновились в субботу Похвалы Пресвятой Богородицы в апреле 1990 года, когда был освящен главный придел. С 1 января 1991 года службы в главном дивеевском соборе совершаются ежедневно.
В монастыре было предание, что батюшка Серафим заповедал построить второй собор в конце Канавки на одной линии с Троицким. Иван Тихонович Толстошеев, распоряжавшийся всем в Дивееве после кончины преподобного, построил на этом месте Тихвинскую церковь. В начале века в ней служили зимой, но она была тесна и уже сильно обветшала. Когда встал вопрос о постройке нового теплого собора, игумения Александра (Траковская), избранная после смерти игумении Марии (Ушаковой) в 1904 году, не пожелала ломать действующую Тихвинскую церковь (впоследствии сгоревшую в 1928 году), и собор заложили сбоку, напротив начала Канавки.
Молодая игумения не посоветовалась с блаженной Прасковьей Ивановной. Когда уже шла закладка собора в 1907 году, блаженная сказала: «Собор-то собор, а я усмотрела, черемуха по углам-то собора выросла, как бы не завалили». Келейница решила, что уже поздно что-либо менять, и слова эти не передала, а сказала: «Благословляет».