Решение о строительстве в Петропавловске-Камчатском кафедрального собора во имя Святой Живоначальной Троицы было принято 9 августа 1999 года. В попечительский совет вошли священнослужители, государственные деятели, высшие офицеры армии и флота. Патриарх Московский и всея Руси Алексий II стал почетным председателем попечительского Совета, он внёс первый вклад в строительство собора и приобрёл иконостас.
Собор возведен по проекту, выполненному в древнерусском стиле архитектором Олегом Лукомским. Проектирование и авторский надзор за строительством осуществлял проектный институт «Камчатскгражданпроект».
18 июля 2000 года освятили площадку под строительство и на месте будущего собора заложили камень. 8 июня 2002 года, в день Святой Живоначальной Троицы была сделана специальная кирпичная кладка, куда заложили капсулу с мощами святых Виленских мучеников Антония, Евстафия, Иоанна и закладная грамота.
20 сентября 2010 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил великое освящение собора во имя Святой Живоначальной Троицы.
29 сентября 2013 года в день празднования 20-летия Петропавловской и Камчатской епархии епархии сонм архиереев совершил великое освящение нижнего храма кафедрального собора в честь иконы Божией Матери «Владимирская».