24 червня 1880 р. архієпископ Волинський Димитрій Муретов освятив верхній храм цього Божого дому як собор Святої Трійці.
У XIII ст. тут була околиця «Богом спасаємого града Лучеська Великого» – ліс на Градній горі. У цій місцевості звели православний монастир Святителя Василія Великого. Згодом на цьому місці було споруджено римсько-католицький костел. Під час Визвольної війни під проводом Хмельницького він сильно постраждав і занепав. У другій половині XVIII cт. тут змурували величний бароковий комплекс (архітектор Гіжицький); костел Святого хреста в ньому освятив 1792 р. єпископ Криспін Цешковський. У 1850 р. в храмі сталася пожежа; після реставрації споруда втратила колишню пишноту, а згодом служби в ній припинили.
За деякий час в одному з приміщень монастиря почала діяти домова православна гарнізонна церква. Після реконструкції за проєктом архітектора Раструханова та інших добудовано баню і дзвіницю при недіючому монастирському соборі. На освячення цього храму як міського собору і прибув тоді з Житомира, губернського центру, владика Димитрій. Нижній же храм освячено 15 грудня 1891 р. єпископом Володимир-Волинським Паїсієм Виноградовим.
Нині луцький Свято-Троїцький собор – головна церква єпархії, кафедра єпархіального архієрея, пам’ятка архітектури національного значення.
