Решение о строительстве собора было принято на епархиальном собрании 9 августа 1999 года. В открытом конкурсе эскизного проекта приняли участие 12 архитекторов и архитекторских групп из Петропавловска и Севастополя.
18 июня 2000 года в день Святой Живоначальной Троицы площадка для строительства собора была освящена служителями епархии, а 28 июня 2002 года в фундамент собора заложены первый камень и стальная капсула с мощами святых Виленских мучеников Антония, Евстафия и Иоанна и Закладной грамотой.
Строительство ведётся по проекту архитектора Олега Лукомского. Проект предусматривает кроме строительства собора с двумя-тремя приделами реконструкцию действующего храма святителя Николая Чудотворца и расположенного по соседству бывшего кафе «Командор», строительство часовни, епархиального управления и других необходимых служебных помещений, составляющих вместе единый комплекс - кремль Петропавловска.
Стоимость строительства Православного собора во имя Святой Живоначальной Троицы на основании проектных смет института «Камчатгражданпроект» составляет 104 млн рублей.
Первые шесть лет строительство велось за счёт пожертвований прихожан, физических и юридических лиц (в том числе от Владимира Путина и Святейшего патриарха Алексия II), благотворительных фондов. За это время на строительство было затрачена 49 млн рублей. Впоследствии финансирование проекта взяла на себя компания «Газпром».
Для росписи собора приглашены иконописцы из Волгодонска и Сергиевого Посада. Иконописную бригаду возглавляет член Союза художников России Александр Таничев. Росписи будут осуществлены в древнерусском стиле минеральными красками, которые через определённое время превращаются в камень, что позволит фрескам сохраниться на века. Всего иконописцам предстоит изобразить около 200 библейских и евангельских фигур.
Помещение нижнего храма по благословению патриарха Алексия II после завершения отделки и росписи верхнего храма должно стать концертным залом. Иконостас при этом будет поднят из нижнего храма в верхний. Акустика зала для Камчатки уникальна: из конца в конец без всяких микрофонов слышен малейший звук, даже шёпот. Нижний храм решено расписать сценами из истории православия на Камчатке, начиная с первых миссионеров (о. Мартиниана, святителя Иннокентия (Вениаминова), митрополита Нестора (Анисимова), Прохора Громова и др.), и сценами главных исторических событий Камчатки, прежде всего победы над англо-французской эскадрой в 1854 году. На стенах этого зала будет написана вся история Камчатки.
Храм планируется открыть для прихожан в конце сентября 2010 г.
