К 30-м гг. XIX в. ц. Св. Троицы обветшала. По указу Екатеринославской духовной консистории от 13 июня 1830 г. было проведено «исследование относительно перестройки симферопольской греческой церкви и постройки при оной новой колокольни». На месте разобранного храма по проекту архит. И. Ф. Колодина (1788 - после 1838), ученика А. Н. Воронихина, в 1865-1868 гг. был возведен и 14 сент. 1868 г. освящен новый одноименный каменный храм в классических архитектурных формах с элементами неовизант. стиля. Это однокупольная постройка в стиле эклектики, крестообразная в плане, с небольшой колокольней над левым приделом. По центру здания размещен мощный 8-гранный световой барабан с куполом. С внешней стороны стены были украшены декоративным узором, тонкими пилястрами с капителями коринфского ордера, легкой аркатурой. На фасаде имеются масштабные мозаики в визант. манере. Приделы были освящены во имя свт. Николая Чудотворца и во имя равноапостольных имп. Константина и имп. Елены.
В 1908-1917 гг. в Свято-Троицкой ц. служил свящ. Перикл Ставрович Антон-оглы (род. 24 сент. 1872).
После закрытия в 1929 г. и уничтожения в ночь на 27 сент. 1930 г. симферопольского Александро-Невского собора (1829) статус кафедрального храма перешел к Свято-Троицкой ц. В 1933 г. городские власти инициировали закрытие собора и передачу церковного здания интернату для татар. детей дошкольного возраста, но греч. община Симферополя, в большинстве состоявшая из подданных Греции, добилась через греч. миссию в Москве возвращения храма церковной общине. Президиум ЦИК КрымАССР постановлением от 5 авг. 1933 г. отменил ликвидацию греч. церкви в Симферополе.
В 30-х гг. XX в. в Свято-Троицкой ц. служили еп. Феодосийский и Крымский сщмч. Порфирий (Гулевич), прот. сщмч. Николай Мезенцев, активным членом церковной общины был мч. Димитрий Спиридонов. С 1946 г. и до кончины в 1961 г. в соборе служил архиеп. Симферопольский и Крымский священноисп. Лука (Войно-Ясенецкий); 18 марта 1996 г. были обретены его мощи и 20 марта перенесены в Свято-Троицкий собор. 5 окт. 2001 г. греч. делегация во главе с архим. Нектарием (Андонопулосом; впосл. митрополит) передала в дар серебряную раку для мощей священноисп. Луки. Др. святыня С. Т. м.- обновившаяся чудесным образом икона Божией Матери «Скорбящая». С 1994 по 2000 г. при соборе действовали одногодичные катехизаторские курсы для взрослых.
После основания женской обители статус кафедрального собора был передан Петропавловскому собору Симферополя.
К 2021 г. в Свято-Троицком соборе имеются 2 придела: в честь Собора Крымских святых и во имя равноапостольных имп. Константина и имп. Елены. На территории С. Т. м. возведены небольшой каменный крестово-купольный храм-баптистерий во имя прор. Илии (7 сент. 2005 в нем состоялось 1-е крещение), каменная часовня свт. Луки Крымского (архит. В. Г. Кравченко; освящена 2 июня 2001 митр. Симферопольским и Крымским Лазарем (Швецом)), 2-этажный монастырский корпус, поставлена ограда с 2 воротами. В монастыре работают пекарня, швейные и рукодельная мастерские, воскресная детская школа, в 2003 г. открыт музей священноисп. Луки (Войно-Ясенецкого).
В С. Т. м. проживают настоятельница игум. Евфросиния (Вислова) и неск. насельниц.