Каменный храм построили в 1808 году. До этого на его месте находилась деревянная Никольская церковь, возведённая в середине XVIII века.
210 лет назад Свято-Троицкий собор был единственным храмом и центром местной жизни. Подземный ход соединял его с известными купеческими домами и различными учреждениями. Также он вёл к реке, откуда можно было незаметно доставлять людей и грузы. Этот подземный ход сохранился до нашего времени, но применения ему не нашли, поэтому вход во время реставрации собора заложили.
На сегодня известны имена священнослужителей этого храма. Особо стоит выделить среди них священномученика Митрофана (Краснопольского), архиепископа Астраханского и Царевского. Он родился в Алексеевке. Служил в Преображенской церкви слободы Матрёно-Гезово Бирючанского уезда, а затем в Свято-Троицком соборе Алексеевки. Когда умерла его супруга, он избрал для себя монашеский путь. Митрофан был епископом Гомельским, а затем епископом Минским и Туровским, входил в состав III Государственной думы.
Его жизненный путь трагически закончился в Астрахани, где, будучи епископом Астраханским и Царевским, он завоевал огромный авторитет. В 1918 году владыка организовал крестный ход в знак протеста против декрета «Об отделении церкви от государства» и гонений на церковь. Этот многочисленный крестный ход расстреляли. Сторонники епископа предлагали ему бежать. Но он отвечал: «Нет, я никуда не уеду от своей паствы, на моей груди Крест Спасителя, и он будет мне укором в моём малодушии…» Вскоре его арестовали, обвинив в белогвардейском заговоре. 6 июля 1919 года в три часа утра владыку вывели из камеры, не дав даже надеть рясу. Когда его довели до расстрельного закоулка, он двумя руками – по‑архиерейски – благословил людей с винтовками, за что получил удар рукоятью револьвера от коменданта ЧК Волкова. Он схватил епископа за бороду, с силой наклонил вниз и выстрелил ему в висок. В 2001 году Митрофана Краснопольского причислили к лику святых.
После революции 1917 года храм превратили в зернохранилище. В войну его снова открыли. В своих воспоминаниях алексеевские старожилы отмечают, что Свято-Троицкий собор славился своим хором и красивейшими росписями. Росписи эти были уничтожены в послевоенные годы, после того как храм снова закрыли. В то время снесли колокольню и купол. В 1980-е годы храм отдали под Дом пионеров. На месте алтаря устроили сцену, сделали второй этаж.
В 1992 году, когда собор вернули верующим, он имел жуткий вид. Благодаря стараниям священников Виктора Толстикова и Алексия Лупорева здесь провели ремонт.
В 2015 году настоятелем собора стал иерей Максим Шамрай. Придя сюда служить, он поставил перед собой цель вернуть храму былое благолепие. Одной из первых восстановили фреску с изображением Нагорной проповеди, от которой после советских лет остались только Лик Спасителя и лицо мужчины, держащего младенца. Перед Пасхой закончили роспись алтаря. Восстанавливают и другие изображения. В ближайших планах – полностью расписать правый придел.
Одна из древнейших святынь храма – икона святителя Николая, которая находилась ещё в деревянной церкви. Она увешана многочисленными украшениями, которые люди принесли в благодарность за помощь в исполнении того, о чём они просили в своих молитвах. Украшена такими дарами и старинная Смоленская икона Божией Матери. Её случайно нашёл на чердаке собора отец Максим. Икону отреставрировали и установили в храме. Есть здесь и другие святыни.
«У нас действует одна из самых больших воскресных школ в Белгородской митрополии, где занимаются около 130 ребят, – рассказал отец Максим. – Создали детский хор, который участвует в богослужениях. С детьми занимаются педагоги по вокалу. При храме совместно с Домом детского творчества действует духовно-просветительский центр. Работает паломническая служба. А для взрослых организовали катехизаторские курсы: проводим беседы на разные темы. Богослужения у нас каждый день. Верующие приходят помолиться, подумать о своей жизни. Храм, выстоявший в лихолетье, продолжает служить людям. Он стал символом нерушимости веры».
Сейчас в Алексеевке, помимо Свято-Троицкого собора, есть храм Александра Невского и храм святителя Димитрия Ростовского. Ещё две церкви – Кресто-Воздвиженская и Успенская – не сохранились до наших дней.