Троицкий женский монастырь основан в 1643 г. богатым муромским купцом Богданом Цветным на месте одноименной деревянной церкви. По преданию, где-то здесь, на «Старом Вышнем городище», св. благоверным князем Константином, крестившим Муромскую землю, был поставлен деревянный храм во имя Бориса и Глеба. Впоследствии его заменили деревянной Троицкой церковью. По описи 1636 г. она имела шатровое завершение, деревянную паперть, а глава и крест храма были обиты белым железом. В 1642 г. на средства Богдана Цветного вместо обветшавшей деревянной Троицкой церкви закладывается кирпичный храм в то же наименование. Через год после постройки, в 1643 г., Богдан Цветной получил разрешение от епископа Рязанского и Муромского основать на месте Троицкого прихода женский монастырь.
Уникальной чертой наружной архитектуры Троицкого собора являются изразцы, отсутствующие на других храмах Мурома. В 1648 г. над святыми воротами обители возводится миниатюрная церковь во имя Казанской иконы Божией Матери с ложношатровым завершением. На южной стене храма старинной вязью высечены надписи, гласящие, что церковь создал торговый человек Тарасий Борисов сын, «по рекломy Богдан Цветной». В 1652 г. над монастырем вознеслась многоярусная колокольня, завершившая, в основном, формирование архитектурного облика обители.
В XVIII в. Троицкий женский монастырь жил очень скромно, не имея ни больших земельных угодий, ни богатых пожертвований. В 1764 г. в нем проживало 15 монахинь и игуменья. В тот год в обитель перевели монашествующих из трех упраздненных монастырей: Вя́зниковского Введенского, Входоиерусалимской Пустыни села Арефино Муромского уезда и Муромского Воскресенского монастыря, расположенного на северной окраине города, в Кожевниках. В 1792 и 1805 гг. монастырь пострадал от пожаров, уничтоживших все деревянные строения обители, в том числе и ограду. В 1807-1808 гг. на средства вдовы Александры Дмитриевны Неймановой возводится новая кирпичная стена, частично сохранившаяся доныне.
Существующие в настоящее время на территории монастыря кирпичные постройки возведены в конце XIX – нач. ХХ вв. В 1898 г. сооружен кирпичный двухэтажный корпус, где 19 сентября 1899 г. открылась одноклассная женская цеpковно-пpиходская школа с уроками рукоделия. В 1902 г. школа стала 2-х классной. В сентябре 1918 г. по распоряжению жилотдела г. Мурома в трех кирпичных корпусах вместо монахинь поселились рабочие. Монастырь закрыли в 1921 г. Его территория стала называться «рабочий городок». В послевоенные годы келейные корпуса превратили в коммунальные квартиры. К юбилею города в 1961-1962 гг. в монастыре провели косметическую реставрацию. В 1976 г. из с. Красное Меленковского района на территорию Троицкого женского монастыря перевезли деревянную церковь, построенную в 1715 г. В архитектурном плане она представляет типичную для XVIII в. композицию «восьмери́к на четвери́ке». Церковь планировали показывать как музейный экспонат под отрытым небом.
15 мая 1991 г. ансамбль Троицкого монастыря возвращен Русской Православной церкви. Это первый женский монастырь, открытый во Владимиро-Суздальской епархии. Главные святыни обители: мощи святых благоверных князей Петра и Февронии (покровители брака и семейного благополучия), а также Виленский крест (найден в 1657 г. в литовском городе Вильно арзамасцем Василием Микулиным и принесен в Муром в Троицкий монастырь; почитается как чудотворный).