Одним із визначних пам’яток української архітектури другої половини XVIII ст., вершиною барокового стилю в дерев’яному церковному зодчестві України. Рішення про будівництво нового храму в слободі Самарчик було прийняте ще у 1773 році козацької старшиною Самарської паланки Війська Запорозького та мешканцями слободи. Пов’язане це було із тим, що стара Свято-Троїцька церква, перша згадка про яку відноситься до 1750 року, «сделалась во многих местах ветхой и для умножившегося народа не поместительной». 21 травня 1774 року духовне Правління Старокодацької Хрестової Наміснії просило Київського митрополита дозволити будівництво нової Свято-Троїцької трьохпрестольної церкви. Середній престол храму – в ім’я Святої Трійці, правий – в ім’я апостолів Петра і Павла, лівий – в ім’я трьох святителів: Василія Великого, Григорія Богослова та Іоанна Златоуста. Грамотою Київського митрополита Гавриїла від 1 квітня 1775 року будівництво нової церкви у слободі Самарчик було дозволене, а вже 2 червня 1775 року було освячене місце та закладено церкву. Будував церкву зодчий з Слобожанського містечка Нові Водолаги, Яким Погрібняк. Будівництво храму закінчене у 1778 році. В січні 1795 року церква слободи Самарчик (Новоселиця), у зв’язку з перенесенням у слободу повітового міста Новомосковська була перейменована у «градскую соборную». У 1830-х роках під собор було вперше підведено цегляний фундамент, а також куполи, які до цього були криті дерев’яним гонтом, перекрили залізними листами. На початку 1880-х років виникла необхідність проведення капітального ремонту собору. Роботи було покладено на майстра Олексія Даниловича Пахучого. Протягом 1887-1888 років, собор було повністю розібрано і складено наново з нового дерева. В 1930-х роках собор було закрито та передано для розміщення складу «Заготзерно». Богослужіння було відновлене у 1941 році, а у 1963 собор був знову закритий. Протягом 1965-1981 років проводились зовнішні реставраційні роботи собору. У 1978 році в храмі був відкритий відділ народного та декоративно-прикладного мистецтва Дніпропетровського художнього музею. У 1988 році храм остаточно було передано релігійній громаді.