Кафедральний собор Святої Трійці та свв. Апостолів Петра і Павла є колишнім храмом отців єзуїтів. Наріжний камінь освятив єпископ Павло Волуцький в 1610 р., будівництво тривало впродовж 1616–39 рр. Храм консекрував в 1639 р. єпископ Андрій Гембіцький. Після 1648 р. до храму добудовується єзуїтський колегіум. Проектував храм відомий єзуїтський архітектор Джакомо Бріано. Після скасування ордену єзуїтів (1773 р.) монастирський храм перетворено на кафедральний собор.
Після закінчення війни у 1948 р. радянська влада відібрала храм і перетворила храм на склад. Католики ж збиралися у каплиці на кладовищі. У 1970 р. храм перейшов у власність Обласного краєзнавчого музею, який розпочав тут ремонт. 15 грудня 1980 р. в храмі було відкрито музей атеїзму. Варварство влади і працівників культури призвело до того, що було знищено орган, дзвони, ліквідовано та розкрадено цінну бібліотеку та 20 образів XVII–XIX ст.; з багатого інтер’єру храму чудом збереглося кілька образів, фрагмент амвону, конфесіонал та деякі меблі.
У вересні 1990 р. вірним дозволили користатися каплицею Пресвятого Таїнства в тоді ще діючому музеї історії релігії та атеїзму. Консекрував храм і першу Месу в головному храму звершив 31 березня 1991 р. єпископ-помічник Львівської архідієцезії латинського обряду Рафаїл Керницький.
