В 1616 году рядом с Ямской слободой старцем Нифонтом из Казанской губернии был заложен Преображенский мужской монастырь.

Первые годы XVIII века ознаменовались началом каменного строительства в Сибири. В 1708 году по настоянию сибирского митрополита Филофея Лещинского в Тюмени начались работы по возведению каменного монастыря. Начало ему положило строительство Троицкого собора, давшее монастырю новое название. Собор сооружали украинские и тобольские строители под руководством каменных дел мастера Матвея Максимова. Собор увенчан тремя большими и двумя малыми главами, напоминающими силуэты куполов украинских храмов. Присутствие малороссийских мотивов в архитектуре Троицкого монастыря неслучайно. Большинство сибирских митрополитов в XVIII веке имели украинское происхождение.

В 1717 году на территории монастыря была построена церковь Сорока Мучеников. К ней примыкала двухэтажная башенка, на первом этаже которой поселился принявший схиму Филофей Лещинский. Сибирский митрополит завещал похоронить себя у самого входа в Троицкий собор, чтобы «мимоходящие попирали прах его ногами». 

В 1726 году было начато строительство церкви Петра и Павла, завершенное в 1755 году. Существует предположение, что церковь была построена по проекту С.У. Ремезова, хотя и в несколько измененном виде. Впоследствии, между церковью Петра и Павла и колокольней был возведен пристрой, в котором разместились ризница и духовное правление. 

Территория Троицкого монастыря с трех сторон ограждена каменной стеной длиной в 386,5 метра.