Это первая церковь, построенная в Острогожске. 16 августа 1652 года, одновременно с основанием города, был заложен деревянный соборный храм во имя Живоначальной Троицы с пределом во имя святителя Николая. Строительство собора вместе с острогожской крепостью было закончено 7 ноября 1652 года. В этот собор были переданы в дар от царя Алексея Михайловича: небольшой напрестольный серебряный крест со святыми мощами, парчовая священная риза и малое евангелие в серебряной оправе. Кроме этих даров царь прислал большую икону Святителя Николая, древнегреческой живописи.