Рижский св. Троице-Сергиев женский монастырь, на территории которого находится собор, начинался в 1891 году с небольшого приюта для девочек и пожилых женщин. Основательницами приюта были М. Н. Мансурова и ее дочери фрейлины Высочайшего Двора, Екатерина и Наталия. Уже в 1892 году приют был преобразован в женскую общину, а в 1901 оду общину преобразовали в монастырь. Первой игуменьей новой обители стала Екатерина Мансурова, в монашестве Сергия.

В 1902 году началось строительство собора в монастыре. Государь Император Николай II выделил 75 тысяч рублей из государственных средств на строительство этого храма. Собор строился по проекту рижского архитектора Н. Х. Пекшена. Выделенных средств оказалось недостаточно, но благодаря усердию настоятельницы игумении Сергии недостающие средства были собраны и собор был освящен в честь Святой Троицы в 1907 году. Этот храм посещали Государь Император Николай II и председатель Совета министров России П. А. Столыпин.

Долгое время храм оставался монастырским, но в 1961 году он стал Кафедральным собором Рижской епархии, после закрытия собора Рождества Христова в собор Св. Троицы перенесли архиерейскую кафедру.

Свято-Троицкий собор никогда не был закрыт. Его украшают росписи середины XX века, а главным украшением и святыней храма является иконостас, подаренный в начале XX века Государем Никольскому Морскому собору в Либаве (ныне Лиепая). Иконостас очень красив, его украшает изумительная по тонкости резьба с позолотой. В 1939 году он был перевезен из Лиепаи в Ригу и установлен в соборе Рождества Христова, а в 1961 году перенесен в Свято-Троицкий собор. Стоящие перед иконостасом уникальные бронзовые подсвечники начала XX века также являются вкладом Государя в Либавский собор.

В Свято-Троицком соборе сохраняются некоторые древние реликвии из Рижского Алексеевского монастыря (в Старом городе), закрытого после революции. В их числе большое напрестольное Евангелие времени Императрицы Елизаветы Петровны, дарохранительница XVIII века, храмовая икона св. Алексия, человека Божия. В соборе бережно сохраняются святыни, связанные с именем св. священномученика Иоанна, Архиепископа Рижского: его водосвятный крест и его деревянный посох.

Чтимой святыней собора является Толгская икона Пресвятой Богородицы, написанная монахиней Серафимой (Каменяка) в недавние годы. Почитается обновившаяся икона преп. Серафима Саровского, от которой неоднократно было мироточение. Эта икона, совершенно потемневшая, так что и изображение св. преп. Серафима было трудно различимо, вернула себе яркость красок. Она очень почитается прихожанами собора и вызвала удивление и благоговение даже у татарской делегации, посетившей однажды собор. Как и в соборе Рождества Христова, в Свято-Троицком соборе регулярно совершаются архиерейские богослужения. Он остается одним из наиболее посещаемых и любимых народом храмов.