Die Heilige Dreifaltigkeitskirche wurde 1733 mit Mitteln der Gemeindemitglieder erbaut und geweiht, wobei die alten Fundamente der Christgeburtskathedrale genutzt wurden, die 1658 errichtet wurde. Die Kirche, die der Lebendigen Dreifaltigkeit gewidmet ist, wurde als einschiffig und kalt geweiht. 1825 wurde an der Südseite der Kirche ein warmer Speisesaal mit einer Kapelle zu Ehren der Verkündigung hinzugefügt, da in diesem Jahr die gleichnamige Kirche, die daneben stand, abgerissen wurde. 1827 wurde ein dreigeschossiger Glockenturm erbaut, und die Kirche wurde mit einer steinernen Umfriedung und einem eisernen Gitter umgeben. Am 28. November 1893 wurde im Speisesaal an der Nordseite eine Kapelle zu Ehren des Ikone der Gottesmutter Odigitria geweiht. Bis zum Bau der Smolensker Kathedrale im Jahr 1872 galt die Dreifaltigkeitskirche als Stadtkathedrale.

Vor der Revolution gab es im Glockenturm der Dreifaltigkeitskirche sieben Glocken: eine große mit einem Gewicht von 108 Pud, eine Poliële-Glocke mit 50 Pud, eine Stunden-Glocke mit 10 Pud, eine Wochentagsglocke und zwei Läuteglocken mit 3 und 1 Pud. Die große Glocke trug eine Inschrift über ihre Herstellung in Kasan in der Fabrik von Luka Stepanov Rukavishnikov. Die mittlere Glocke wurde 1869 in der Fabrik der Brüder Gudkov gegossen und hatte die Inschrift: „Verkündet, Erde, große Freude, lobt den Himmel für die Ehre Gottes“. Eine der Kapellen, die in der heutigen Zeit geweiht wurde, ist der Ikone der Gottesmutter „Schmerzhafte“ gewidmet. In der Kirche wurde eine wundertätige Kopie dieses Ikone aufbewahrt. Vom 4. bis 18. Juli fand jährlich ein Kreuzgang ins Dorf Palets in der Provinz Nischni Nowgorod mit diesem Ikone statt, um an die Befreiung von der Pest während der Herrschaft von Alexei Michailowitsch zu erinnern. In der Kirche befand sich auch die Ikone der Gottesmutter „Dreihändige“, die von einem wundertätigen Bild aus dem Hilandar-Kloster auf dem Berg Athos kopiert wurde, die 1664 Patriarch Nikon geschenkt wurde und später nach Kossmodemjansk gebracht wurde.

Seit 1884 gab es an der Kirche eine kirchliche Schule für 50 Jungen. In der Gemeinde waren 125 Häuser registriert, von denen 87 bürgerlich und 35 bäuerlich waren, mit einer Bevölkerung von 318 Männern und 357 Frauen. Nach der Oktoberrevolution wurde das Kirchengebäude gemäß einem Vertrag mit dem Stadtrat von Kossmodemjansk der Gläubigengemeinde übergeben. Am 27. September 1938 wurde die Kirche jedoch geschlossen. Der Protopresbyter Walerian Nowikow wurde am 19. Dezember 1937 verhaftet und zu 10 Jahren Lager verurteilt. Nach der Schließung stand der Tempel leer. Von 1941 bis 1945 befand sich dort ein Waisenhaus für Kinder aus dem belagerten Moskau, später lebten dort Waisenkinder. Danach wurde im Gebäude eine Bibliothek, ein Pferdestall der kommunalen Wirtschaft und kommunale Wohnungen untergebracht.

In den späten 1930er Jahren wurden die fünf Kuppeln abgerissen, die dreiteilige Apsis und zwei Geschosse des Glockenturms abgebaut. Das gewölbte Decken wurde eingestürzt, und über dem Speisesaal wurde ein siebenstöckiger Block errichtet. Der südliche Portal und ein Teil des nördlichen wurden verloren. Der Ikonostase wurde demontiert, die Glocken wurden abgeworfen, der Innenraum umgebaut, die Wände und Decken wurden weiß gestrichen. 1989 wurde die Kirche der Russischen Orthodoxen Kirche übergeben.

Im Jahr 1990 wurde mit Mitteln der Kirchengemeinde der Altar aus Silikatziegeln wiederhergestellt. Im Rahmen der Renovierungsarbeiten wurde die Zwischenetagen-Decke abgerissen und die fünf Kuppeln wiederhergestellt. In den Jahren 1992-1993 restaurierten Spezialisten des Kossmodemjansk Restaurierungsbereichs den Glockenturm und bestellten einen neuen Ikonostase. Bei der letzten Restaurierung wurde der Speisesaal wiederhergestellt.

Die Architektur der Kirche verdient Beachtung. Bei ihrem Bau wurde Übermaßziegel verwendet, während für den Bau des Speisesaals und des Glockenturms Standardziegel verwendet wurden. Die Fundamente sind aus Bruchstein. Der zweisäulige Speisesaal ist mit fünf Tonnengewölben überdeckt. Der quadratische Raum der Kirche ist mit zwei Tonnengewölben überdeckt, die auf drei querliegenden Stützbögen mit zwei Stützsäulen ruhen. Die Öffnungen sind bogenförmig mit Archivolten und Fächer-Schlössern. Der Altar ist mit einer Kuppel aus zwei Ziegeln überdeckt und hat drei bogenförmige Öffnungen und eine Ofenöffnung. An den Ecken der Quadrate befinden sich Halbsäulen mit Basis und kleiner Kapitell. Im ersten Geschoss gibt es Pilaster. Zwischen den Geschossen verläuft ein kleiner Gesims. Der Hauptkubus der Kirche ist mit einem steinernen Gürtel in Form von Gewichten verziert und wird von einer Reihe dekorativer Zakomar gekrönt. Der zentrale Tambour ist lichtdurchlässig, die anderen sind blind. Die facettierten Kuppeln, die mit Eisen aus Titan-Nitrid bedeckt sind, krönen filigrane Kreuze. Die Kuppeln mit einem Eisenmuster und die Kreuze beeindrucken bei näherer Betrachtung.

Heute ist das Kulturdenkmal „Kirche der Heiligen Dreifaltigkeit“ ein aktiver Tempel. Auf ihrem Gelände befinden sich Holz- und Ziegelbauten aus dem späten 20. Jahrhundert. Besonders auffällig ist die Aussichtsplattform in Form einer Kapelle mit einem Mosaik der Heiligen Kosmas und Damian.