16 октября 1837 года император Николай I посетил Пятигорск. Во время визита государь побывал на молебне в Скорбященской церкви. Она ему показалось слишком маленькой и тесной. По возвращению в столицу он распорядился, чтобы старший архитектор департамента военных поселений Александр Яковлевич Андрееев составил проект будущего нового пятигорского храма. В 1842 году проект и смета были составлены и утверждены. За образец брался проект петербургской Введенской церкви К.А. Тона.
Строительство началось в 1847 году, но из-за проблем пришлось перестроить его. В 1868 году храм был завершен, став главным верующим символом города. Храм в русско-византийском стиле, символизировал веру и идею самодержавия.
Высокий пятиглавый кубовидный собор из машукского камня был построен в русско-византийском стиле. Фасады храма, разделенные на три сливающиеся, символизировали Святую Троицу – основной догмат православия. Центральная купольная глава с куполом олицетворяла Иисуса Христа, а четыре столба, на которые она опиралась, а также четыре звонницы под куполами на углах здания – четырех евангелистов, разнесших благую весть о Спасителе.
В плане храм имел форму креста – главного символа христианской веры. Некоторая сухость и строгость, присущая белым фасадам храма, подчеркивала аскетизм и чистоту истинной веры. Узкие окна-бойницы напоминают о защищающей, охранительной силе церкви. Архитектурная композиция храма отражала идею самодержавия, так как напоминала Успенские соборы Владимира и Москвы, в которых «венчались на престол» князья и московские «государи всея Руси».
После революции храм использовался для богослужений, но в 1927 году он был разрушен. Решение о восстановлении приняли в начале 90-х годов. В 1992 году установили металлический крест, а в 2004 году при строительстве были обнаружены артефакты первоначального храма.
Сейчас собор является главным храмом Пятигорска, принимая до тысячи верующих, и стал символом веры города. На фасаде храма функционируют часы-куранты, придающие ему уникальный характер.
После восстановления храма была также восстановлена историческая соборная площадь, одновременно вернув два утраченных символа Пятигорска.