Pierwotna katedra łucka, ufundowana w 1427 roku przez Wielkiego księcia Litewskiego Witolda, który przeniósł tutaj biskupstwo z Włodzimierza Wołyńskiego, stała naprzeciw obecnej i była budowlą drewnianą. Herbem diecezjalnym była „Najświętsza Trójca, Matkę koronująca”, dlatego też pierwsza katedra nosiła wezwanie Świętej Trójcy – co zdecydowało o podwójnym wezwaniu obecnej. Nieco ponad 100 lat później, dzięki fundacji biskupa Jerzego Falczewskiego, drewnianą świątynię zastąpiono kamienną, która przetrwała niemal dwa wieki. W 1724 roku strawił ją pożar, a po odbudowie w 1781 roku – kolejny. Wówczas jej mury rozebrano, a katedrę przeniesiono do obecnego, barokowego kościoła pojezuickiego, wzniesionego w I połowie XVII wieku wraz z klasztorem i kolegium jezuickim.

Fundatorami założenia byli: król Zygmunt III Waza, biskup Marcin Szyszkowski i biskup Paweł Wołucki, a projektantem był architekt Giacomo Briano. 16 lipca 1616 roku odbyło się wmurowanie kamienia węgielnego w fundament kościoła, a prace zostały zakończone w drugiej połowie lat trzydziestych XVII wieku w stylu renesansowym. W kolegium nauki pobierali synowie wołyńskich magnatów, wśród nich późniejszy prymas książę Kazimierz Czartoryski. 14 czerwca 1724 roku wybuchł wielki pożar, który bardzo poważnie uszkodził kościół i kolegium. W ciągu następnych lat aż do 1730 roku zabudowania jezuickie poddano gruntownej renowacji przy współudziale architekta-jezuity Pawła Giżyckiego. Po restauracji świątynia nabrała nowego, klasycystycznego charakteru. Żeby zachować osłabione przez pożar ściany, obudowano je galeriami i kruchtą z chórem, oraz dobudowano dwie wieże zewnętrzne.

Powstała wówczas trójnawowa, bazylika posadowiona na planie krzyża greckiego z okólnymi galeriami i dwiema wieżami flankującymi fasadę. Wieże kościoła mają różną formę — zachodnia jest czworoboczna, a wschodnia ośmiokątna. Główną fasadę zdobi pięć rzeźb. Za kościołem, od strony zamku, znajduje się trzypiętrowe kolegium. We wnętrzu kościoła znajdują się obrazy, epitafia, tablice pamiątkowe, zabytkowe meble, malowidła ścienne, rzeźby, płaskorzeźby, monogramy, pieczątki i dekoracje architektoniczne. Niektóre obrazy zostały przeniesione z innych kościołów w Łucku. Najstarsze płótna pochodzą z XVIII wieku, są to prace nieznanych autorów. W zakrystii malarstwo ścienne przedstawia niektóre inne kościoły Łucka: bernardynów, dominikanów, karmelitów, trynitarzy.

Po kasacie zakonu jezuitów w 1773 roku szkołę polską zamknięto, a jej miejsce zajęło na jakiś czas gimnazjum rosyjskie. W 1787 roku kościół uzyskał status katedry. W 1947 roku władze sowieckie zamknęły katedrę i urządziły w nie składnicę węgla. W 1980 roku otwarto tu Muzeum Ateizmu, które funkcjonowało do 1990 roku. Spowodowało to znaczne zniszczenia zabytków sztuki oraz wnętrza świątyni. Jesienią 1990 roku ksiądz Antoni Andruszczyszyn ze Sławuty celebrował pierwszą mszę świętą w bocznej kaplicy katedry. W owym czasie w budowli działało wspomniane Muzeum Ateizmu. Po roku świątynię zwrócono katolikom, zaś pięć lat później odbył się w niej pierwszy po 73 latach ingres biskupi. Ordynariuszem diecezji został ksiądz Marcjan Trofimiak.

Zdewastowaną i ograbioną świątynię z czasem wyremontowano i urządzono na nowo, jako że z oryginalnego wyposażenia pozostało niewiele. Pod zabudowaniami znajdują się podziemia dostępne do zwiedzania z przewodnikiem. Wejście do podziemia znajduje się pod basztą z dzwonem na południowo-zachodniej fasadzie. Obecnie kościół jezuicki jest główną świątynią diecezji Łuckiej, a kolegium jest wykorzystywane przez Wołyńskie Technikum Narodowego Uniwersytetu Technologii Spożywczych. Na przeciw fasady stoi budynek kurii biskupiej.

Katedra znajduje się w centrum miasta, tuż obok zamku. Łuck jest położony 140 km na północny-wschód od Lwowa, przy skrzyżowaniu dróg H17, H22 i M19.

Zdjęcia wykonano w sierpniu 2017 roku.