Дата основания города Буинска абсолютно точна — 15 сентября 1780 году, Екатериной II был издан указ об учреждении города Буинска и Буинского уезда в составе Симбирского наместничества, позднее преобразованного в губернюю. Через Буинск проходил почтовый тракт, соединяющий две губернские столицы — Симбирск (до него 75 верст) и Казань (119 верст).
Судя по плану, в начале ХIХ века в городе было два каменных сооружения — Троицкая церковь и здание присутственных мест. Оба здания сохранились.
Новая церковь строилась довольно долго. В 1791 году был освящен левый придел в честь Архангела Михаила, а главный престол и правый придел Покрова Пресвятой Богородицы — только в 1813 году. Церковь строилась за счет казны и на деньги прихожан. На казенные средства в 1828 году была сооружена и ныне утраченная колокольня. В 1847 приходская церковь приобрела статус собора.
Троицкий собор в Буинске — памятник культовой архитектуры с традиционной композицией, включающей элементы стилей барокко и классицизма.
До революции в Буинске также существовала не сохранившаяся до наших дней каменная церковь святителя Николая Чудотворца постройки 1911 года.
В советские годы храм не действовал, в нём располагалась фабрика для производства лент для сигаретных машин, позднее — производственное помещение ткацкой фабрики. Верхний ярус колокольни был разрушен, а колокола пошли на переплавку.
В 1930-е годы также был утрачен верхний восьмерик с маковкой и крестом основного объёма. Лишь с 1989 года храм снова стал действующим. Была проведена кардинальная реставрация здания, а в 2005 году были восстановлены верхние ярусы колокольни с позолоченным шпилем.
Особым почитанием отмечена хранящаяся в храме икона великомученика Пантелеимона с частицей мощей святого.