Комплекс Троицкого монастыря сохранился в формах конца XVII — начала XVIII века. В настоящее время собор состоит из трёх церквей, расположенных на одном подклете: Троицкой, Сретенской и Введенской, а также двух трапезных палат.
Каменный собор построили в 1603 году. В последующие годы он не раз страдал от пожаров. В разное время здесь помещались гарнизонная и ремесленная школы, тюрьма, денежные и продуктовые кладовые и другие заведения. Церкви и монастырские постройки ветшали, многие были разобраны.
У строений богатая история. Комплекс издавна был настоящей сокровищницей древнерусского искусства. Но, к сожалению, ни иконы, ни убранство до наших дней не сохранились.
В Смутное время Астраханский кремль стал пристанищем для Марины Мнишек и атамана Ивана Заруцкого. Именно Марина приказала инокам Троицкого монастыря не звонить в колокола к заутрене, так как звон пугал её маленького сына Ивана, рождённого от Лжедмитрия II и объявленного царевичем. Вначале астраханцы отнеслись к Заруцкому и Мнишек благодушно. Однако, испытав на себе их самоуправство, возмутились. В конце концов, самозванцам пришлось спасаться бегством, но их поймали и в кандалах отправили в Москву.
Восстановление Троицкого собора началось только в 70-е годы прошлого века. Ряд работ провели в 2010–2011 годах во время реставрации Астраханского кремля. В период с 2018 по 2022 год комплекс отремонтировали капитально. На работы потратили 216 млн рублей, выделенных Министерством культуры РФ. В соборе укрепили стены, фундамент, своды, полностью поменяли кровлю и выстелили пол.
12 июня 2022 года, в День Святой Троицы митрополит Астраханский и Камызякский Никон провёл первую литургию в Троицком соборе кремля. Теперь службы здесь идут по воскресеньям.