Mała osada na skraju Puszczy Białowieskiej zaczęła przekształcać się w miasto po pierwszej wojnie światowej, gdy rozwinął się tu przemysł drzewny. Czas prawdziwie dynamicznego rozkwitu nadszedł jednak w latach 70. Miasto podwoiło wtedy liczbę mieszkańców, dochodząc do 25 tysięcy, ściągając ich przede wszystkim z okolicznych, przeważnie prawosławnych, wsi. Służąca dotąd wiernym drewniana cerkiewka św. Mikołaja okazała się już dla nich za ciasna.

W 1973 r. uzyskano od władz- co w owym czasie było bardzo trudne – zgodę na wzniesienie w Hajnówce nowej świątyni. Miała mieć wymiary 25 na 35 metrów, tysiąc metrów powierzchni zabudowy, dwie kondygnacje, siedem ołtarzy, sale katechetyczne na dwieście osób i łącznie mieścić trzy tysiące wiernych. Jej wysokość – wraz z krzyżem – sięgnąć miała 50 metrów.

Projekt świątyni opracował architekt prof. Aleksander Grygorowicz z Poznania. Stworzył wizję budowli wspartej na czterech żelbetonowych kolumnach: dodatkowych dwóch wspierających chór, o średnicy jednego metra każda, przykrytej stożkiem zwieńczonym kopułą. W odległości kilku metrów od świątyni miała stanąć dzwonnica połączona z nią arkadą. Projekt spotkał się z powszechnym uznaniem. Jedni fachowcy wskazywali na inspirację pracami wielkiego twórcy współczesnej architektury Le Corbusiera,Inni na związki ze staroruskim typem cerkwi słupowych. Aleksandra Grygorowicza uhonorowano m.in. nagrodą Imienia św. Brata Alberta.

W dniu 14 października 1973 r. położono kamień węgielny pod budowę, która będzie trwała około dwudziestu lat. Jedna dekada upłynie na wznoszeniu konstrukcji, druga na wykańczaniu wnętrza. Powstanie w efekcie jedna z najwspanialszych realizacji sakralnych w Polsce.

Proboszcz parafii, o. Antoni Dziewiatowski, który służył w Hajnówce od 1951 r. do śmierci w 1995 r., stał się wielkim budowniczym i „wielkim jałmużnikiem”, niestrudzenie poszukującym sum na dokończenie prac. Udało mu się rozbudzić wielki entuzjazm parafian, z których wielu pracowało społecznie. Dziś jego imię nosi jedna z ulic przy cerkwi.

Wiosną 1982 r. zakończono prace zewnętrzne. Wystrój świątyni wymagał jednak nadal trudnych prac specjalistycznych.

W każdej prawosławnej świątyni można wyróżnić trzy części – przedsionek, przeznaczony dla wiernych nawę i prezbiterium, w którym mieści się ołtarz. Wszystkie też cerkwie są zorientowane, co oznacza, że ołtarz zawsze znajduje się w ich wschodniej części.

Prezbiterium oddzielone jest od nawy ścianą z ikon, z drzwiami pośrodku i dwoma nieco mniejszymi po bokach. To ikonostas. Środkowe drzwi noszą nazwę Królewskich Wrót (Carskije Wrata). Przez nie wnoszony jest Król Chwały w postaci Świętych Darów. Znajdują się na nich zawsze ikony Zwiastowania Najświętszej Marii Panny i czterech Ewangelistów. Mniejsze drzwi to Diakońskie Wrota. Po prawej stronie Królewskich Wrót umieszczana jest zawsze ikona Zbawiciela, po lewej Matki Bożej. Górny rząd zajmują ikony największych świąt. Główny ikonostas w hajnowskim soborze wyróżnia misternie wykonane ceramiczne obramowanie ikon i drzwi.

Prezbiterium, w którym znajduje się ołtarz, to najważniejsza część świątyni. Tu sprawowana jest Eucharystia. Do ołtarza wchodzić mogą jedynie kapłani oraz mężczyźni i chłopcy asystujący przy liturgii. W centralnej części umieszczony jest prestoł -ołtarz, a na nim Darochranitielnica, w której przechowywane są Święte Dary dla chorych. Przed nią Ewangelia, z której kapłan czyta fragmenty podczas nabożeństw, i krzyż, którym błogosławi wiernych.

Zgodnie z prawosławną tradycją całe wnętrze soboru pokrywają polichromie. Wykonał je Dymitrios Andonopulos z Grecji. Pracował nad nimi w latach 1986-1990, przyjeżdżając dwa razy w roku na dwa – trzy tygodnie. Zadziwiał zręcznością i szybkością wykonywania wizerunków Chrystusa, Bogarodzicy, aniołów, świętych i przedstawień biblijnych. Swoją pracę traktował jako ofiarę na rzecz hajnowskiej parafii. Honoraria ledwie pokrywały koszty jego podróży do Polski. Polichromia nawiązuje do wzorów późnobizantyjskiego XIV-wiecznego malarstwa okresu Paleologów.

Centralną przestrzeń cerkwi wypełnia panikadiło, czyli żyrandol, wykonany według projektu prof, Grygorowicza w kształcie równoramiennego krzyża greckiego, ozdobiony witrażami Bogarodzicy i słowiańskich świętych. To jedyne w Polsce panikadiło o takiej formie.

Witraże, rzadko spotykane w prawosławnych świątyniach, zdobią też nieregularnie rozmieszczone okna. Zaprojektował i wykonał je prof. Adam Stalony Dobrzański z Krakowa.

W hajnowskim soborze znajduje się, jak wspomniano, siedem ołtarzy. Główny poświęcony jest Świętej Trójcy. W nawie północnej jest też ołtarz poświęcony ikonie Matki Bożej Nieoczekiwana Radość (Nieczajannaja Radost’), odgrodzony od nawy jednorzędowym ikonostasem. Tu sprawuje się w niedziele poranne Liturgie św. Na górnym poziomie znalazło też miejsce baptysterium, poświęcone lokalnym świętym. Jego ściany pokrywają polichromie z wizerunkami św. Cyryla z Turowa, św. Eufrozyny Potockiej. Na środku wyłożona jest ikona św. męczennika Dzieciątka Gabriela – świętego z Podlasia.

W dolnej części soboru Umiejscowione są trzy ołtarze. Największy z nich poświęcony jest św. Mikołajowi. Na prawo od niego znaleźć można niewielki ołtarz św. Barbary, na lewo zaś ołtarz ku czci św. Antoniego Pieczerskiego. Tu – w krypcie – po śmierci spoczęło ciało niestrudzonego budowniczego soboru o. Antoniego Dziewiatowskiego.

Ostatni, siódmy ołtarz znajduje się pod dzwonnicą i jest poświęcony św. Pantelejmonowi.

Ołtarz główny soboru, a więc i całą świątynię, ostatecznie wyświęcono 11 października 1992 r.

Od 1995 roku proboszczem, a zarazem dziekanem hajnowskim jest ks. mitrat mgr Michał Niegierewicz, który pełni funkcję dyrektora Policealnego Studium Psalmistów i Dyrygentów w Hajnówce  a także jest dyrektorem Międzynarodowego Festiwalu Hajnowskie Dni Muzyki Cerkiewnej.