В 1648 году себежские земли стали собственностью польского магната Иеронима Радзивилла, который в 1654 году построил каменный костел. В это время Себеж отошел к Московскому государству, и костел с 1654 по 1672 год использовался как православный храм. Потом до 30-х годов XX столетия здание стало костелом женского базилианского монастыря.
После войны в соборе устроили общежитие, затем продовольственный склад, пока в 1985г. не случился пожар и сгорела крыша, тогда здание бросили и оно медленно разрушалось.
В конце 1988 года полуразрушенное и обгоревшее здание передали новообразованной православной общине. Восстановление велось на пожертвование прихожан и предприятий города и района. В 1989 году Архиепископ Псковский и Великолукский Евсевий освятил Троицкий собор.
Как сообщала местная газета «Призыв», в связи с празднованием 350-летия города купола и кресты покрыли под золото, здание покрасили в светло-зеленый цвет, в который вкладывался смысл созвучия Святой Троице, внутри собора выполнили роспись верхней части стен и установили золоченый иконостас. В дни торжеств состоялось освящение и поднятие нового именного колокола, весом около полутоны, отлитого в Минске мастерами фирмы «Отменное литье» на средства благотворителей.
Это самое древнее из сохранившихся зданий Себежа. Собор возвышается над городом, замыкая перспективу улицы, выходящей на Замковую гору.