Свято-Троїцький собор у Новомосковську було засновано козаками Війська Запорізького. На підготовку до будівництва пішло два роки: роботи почалися в червні 1775 року, незадовго до ліквідації Запорізької Січі.
Зведення храму тривало три роки, проект створив архітектор-самоучка Яким Погребняк. Дерев'яний дев'ятикупольний храм заввишки 35 м і площею 512 кв. м складений з колод, скріплених без використання залізних цвяхів, і обшитий дошками. Дев'ять симетричних веж розташовано так, що вони підпирають і врівноважують одна одну. Стіни побілено і всередині, і зовні — настінного розпису в Свято-Троїцькому соборі немає. Не було спочатку і дзвіниці — її побудували пізніше, приблизно через 100 років. Також після реконструкції в XIX столітті з'явився цегляний фундамент.
За радянських часів Свято-Троїцький собор використовувався як склад зернових, кілька разів опинявся під загрозою руйнування і зрештою надихнув Олеся Гончара на створення роману Собор. Так храм було врятовано. Спочатку тут відкрився філіал краєзнавчого музею, а в 1989-му після реставрації храм відновив роботу.