Nền móng của giáo xứ Tam Tòa được đặt từ thế kỷ XVII, khi Giáo họ Đồng Hới (còn được gọi là họ Lũy hay họ Sáo Bùn) được hình thành. Tuy nhiên, một biến cố bi thương đã thúc đẩy sự chuyển dịch. Năm 1886, cuộc đột kích của phong trào Văn Thân vào giáo xứ Sáo Bùn đã cướp đi sinh mạng của 52 giáo dân và thiêu rụi nhà thờ. Chính vì lý do này, một số lượng lớn giáo dân đã phải chạy về Đồng Hới lánh nạn. Đến khoảng cuối năm 1886, họ đạo Sáo Bùn chính thức chuyển địa điểm về Đồng Hới, đặt nền móng cho Giáo xứ Tam Tòa và bắt đầu tiến hành xây dựng nhà thờ đầu tiên bên bờ sông Nhật Lệ.

Công trình nhà thờ Tam Tòa cũ được khởi công vào năm 1887 dưới sự chỉ đạo của linh mục Claude Bonin (người dân địa phương thường gọi là Cố Ninh). Nhà thờ được xây dựng nhằm phục vụ khoảng 1.200 giáo dân trong vùng. Kiến trúc ban đầu của nhà thờ mang phong cách Gothic đặc trưng, phổ biến ở châu Âu vào thế kỷ XIX, hoặc có thể ảnh hưởng từ lối kiến trúc Bồ Đào Nha, tạo nên một công trình đồ sộ và độc đáo.
Năm 1887, dưới sự chỉ đạo của linh mục Clause Bonin (Cố Ninh), Nhà thờ Tam Tòa được khởi công xây dựng với phong cách kiến trúc Bồ Đào Nha, mang nét cổ kính đặc trưng. Đến năm 1940, linh mục René Morineau (Cố Trung) cho tu sửa và tái thiết, giúp nhà thờ trở thành một trong những công trình tôn giáo đẹp nhất Việt Nam thời bấy giờ, với kiến trúc Gothic châu Âu thế kỷ 19. Nhà thờ không chỉ là nơi diễn ra các nghi thức tôn giáo như cầu nguyện, xưng tội, rửa tội, mà còn là trung tâm sinh hoạt văn hóa của cộng đồng Công giáo tại Đồng Hới.
Đặc biệt, Nhà thờ Tam Tòa gắn liền với một sự kiện lịch sử quan trọng: đây là nơi nhà thơ Hàn Mạc Tử được rửa tội vào năm 1912, với tên thánh François Nguyễn Trọng Trí. Điều này càng làm tăng giá trị văn hóa và tâm linh của di tích.