С учреждением в Белгороде епархии, Свято-Троицкий храм был возведен на степень кафедрального собора. В 1690 г., при митрополите Белгородском и Обоянском Авраамии (Юхове), вместо деревянной церкви был заложен великолепный каменный собор, который строился семнадцать лет. Освятил собор в 1707 г. Белгородский митрополит Иустин (Базилевич). Этот храм помнил служение свт. Иоасафа (Горленко), его предшественников и последующих белгородских епископов и архиепископов. Жили владыки в располагавшемся рядом двухэтажном архиерейском доме. В 1706–1708 гг., по инициативе митрополита Иустина (Базилевича), при архиерейском доме была построена крестовая церковь свв. Антония и Феодосия Печерских. Интересна судьба этого храма. С перенесением кафедры из Белгорода в Курск, церковь была упразднена и переделана в монастырские кельи. В конце 1860 г. она была восстановлена, а при перестройке настоятельских келий епископом Сергием в 1864 г., в южной стороне здания была устроена новая домовая церковь во имя свт. Тихона Задонского, мощи которого были открыты за три года до этого.
В 1750 г. епископ Иоасаф (Горленко) на южной стороне собора устроил придел в честь Успения Пресвятой Богородицы. В следующем году храм был отреставрирован, после чего, 30 июня того же года, его снова освятил епископ Иоасаф.
Еще при своей жизни, свт. Иоасаф завещал похоронить себя с юго-западной стороны храма. Был вырыт склеп, куда был впоследствии помещен гроб с телом святителя. Над этим склепом брат покойного, полковник Андрей Андреевич Горленко устроил, согласно завещанию владыки, небольшую придельную церковь во имя Страшного суда, освященную в 1755 г. По воле святителя, в этом приделе всегда служили раннюю литургию и поминали всех усопших, в том силе и покойного святителя.