Посвећена је силаску Светог духа – Светој тројици, а својом архитектуром, иконостасом и иконама које су сликане за њега, заузима значајно место у историји српске уметности. Грађена је за време турске владавине, када је Турска прихватила равноправност муслимана и хришћана, у Црквеној махали, некадашњем хришћанском делу вароши, од 1856. до 1872. године, прилозима православног народа и свештенства и дуго времена је била највећи православни храм у Србији.

Протомајстор Андреја Дамјановић из Велеса саградио је монументалну тробродну базилику са основом у облику уписаног крста, са пет кубета, вишестраним олтарским апсидама на источној страни и наткривеним тремом са стубовима повезаним аркадама на осталим странама храма. У унутрашњости, полуобличасти свод наоса носе два реда стубова, а изнад тремова се налазе галерије. На прочељу уз западну фасаду дозидан је 1937. звоник по пројекту арх. А. Медведева.

У архитектури храма, вероватно под утицајем романтизма, се огледају утицаји различитих историјских стилова, српско-византијског, романског, ренесансе и исламске архитектуре, што представља значајну етапу у развоју архитектуре са националним обележјима под утицајем покрета за обнову „српског стила“.

Нишки Саборни храм је 1944. приликом савезничког бомбардовања тешко оштећен, а 2001. је страдао у пожару, у коме је иконостас неповратно изгубљен и након кога је извршена обимна реконструкција (арх. Миле Вељковић), окончана 2006. године.