Został wybudowany w latach 1883-1886 według projektu miejskiego radcy budowlanego Paula Jackischa (1825-1912) w miejscu dawnego cmentarza (zlikwidowanego w 1864 r.) parafialnego kościoła Wniebowzięcia Najświętszej Maryi Panny. Wcześniej na cmentarzu znajdowała się pochodząca z XVII w. niewielka kaplica cmentarna, w której odprawiano nabożeństwa. Pamiątką po tamtym obiekcie jest grupa rzeźb przy prezbiterium obecnego kościoła. O budowie kościoła zadecydowano w 1873 r. Na ten cel nałożono na mieszkańców Bytomia podatek kościelny w wysokości 25%, który składano w Śląskim Towarzystwie Kredytowym na koncie oprocentowanym na 3,5%. Ok. 2 października 1882 r. biskup wrocławski Robert Herzog udzielił pozwolenia na budowę nowej świątyni. W dniu 21 maja 1883 r. wmurowano kamień węgielny. Budowę ukończono w 1886 r. 20 czerwca 1886 r. świątynia została konsekrowana przez biskupa-sufragana Hermanna Gleicha. Cała budowla jest utrzymana w stylu neogotyckim. Przy kościele znajduje się zabytkowa plebania z 1880 r. Najbardziej interesujący jest ołtarz główny z rzeźbami wykonanymi przez Buhla z Wrocławia i obrazem Świętej Trójcy na tle miasta autorstwa Fahnrotha. Polichromie ścian które zostały utworzone w latach 1922-1923. Imponujące są także dekoracje rzeźbione w piaskowcu, m.in. maswerki okien czy dekoracja zwieńczenia wieży. Organy zbudowała austriacka firma Rieger. Posiadają one 50 głosów. Całość wyposażenia w pełni odwzorowuje płomienisty gotyk. Wraz z powstaniem kościoła wydzieliła się nowa parafia św. Trójcy, która istnieje do dzisiaj. W 1945 r. budynek uległ znacznemu zniszczeniu. Wstawiono nowe ołtarze boczne, nowe witraże, wzniesiono dwa portale, które z piaskowca szydłowieckiego wykonał Aleksander Bohurs. Rewitalizacja wnętrza zakończyła się w 1956 r., pozostałe prace trwały do 1963 r.
