Die Heilige Dreifaltigkeitskirche war eine der ersten provisorischen Kirchen, die vierte nach der Uspenski-Kathedrale, der Woskresenski-Hospital- und der Nikolai-Kosaken-Kirche. Sie wurde 1740 für das Penzenskij-Regiment erbaut und geweiht und 1745 von Samara nach Orenburg verlegt, das 1743 zum Zentrum der Verwaltung des Orenburger Gebiets wurde. 1744 wurde die Kirche militärisch für das Bataillon des Nischni-Nowgorod-Regiments, das aus Ufa verlegt wurde. Ursprünglich aus Holz, wurde sie 1781-1786 in Stein umgebaut. Von den ersten vier Kirchen überlebte nur die Dreifaltigkeitskirche bis zur sowjetischen Zeit. Die anderen hörten auf zu existieren: Die Uspenski-Kirche wurde 1758 durch die Steinkathedrale der Einführung in den Tempel ersetzt, die Nikolai-Kirche brannte 1786 nieder, und die Woskresenski-Kirche wurde wegen Baufälligkeit abgerissen und 1770 durch die Kreuzerhöhungskirche ersetzt.

Der Bau der steinernen Dreifaltigkeitskirche begann 1774 mit staatlichen Mitteln und Spenden der Bürger zur Erinnerung an die Befreiung Orenburgs von der Belagerung durch die Truppen Pugatschows. Aufgrund von Geldmangel nach der langen Belagerung dauerte der Bau acht Jahre, und die Kirche wurde 1783 geweiht. Das Gebäude litt mehrfach unter Stadtbränden, insbesondere 1786 und 1879. Der Glockenturm wurde 1807 angebaut, und 1828 wurden zwei Kapellen hinzugefügt: die rechte zu Ehren der Himmelfahrt der Heiligen Gottesmutter und die linke im Namen des Heiligen Nikolaus von Myra, zur Erinnerung an die verschwundenen Uspenski- und Nikolai-Kirchen. Der Hauptaltar war der Heiligen Lebendigen Dreifaltigkeit geweiht.

Im Jahr 1876 wurde die Kirche auf Kosten des Vorstehers Grigori Posharskij mit einem eisernen Zaun und steinernen Säulen und Toren umgeben. Nach dem Brand von 1879 wurde die Kirche mit Spenden, die von den Gemeindemitgliedern und durch Abonnements in verschiedenen Städten gesammelt wurden, wiederhergestellt. Aktiv an der Mittelbeschaffung beteiligt waren der Kaufmann Ivan Shibaev und die Kirchenbediensteten, einschließlich des Pfarrers Matvey Lyubochestnov. Die Kaufleute Zaryvnovy, Moshkovy, Vanyushiny, Ryzhkovy und die Brüder Sachkovy sowie Mikhail Motalyev leisteten bedeutende Beiträge. Mit den Mitteln von Vasiliy Myakinkov und Ivan Sachkov wurde ein vergoldeter Ikonostase mit 22 Ikonen geschaffen, von denen vier von der Moskauer Akademie für Malerei angefertigt wurden. Die Kirche wurde am 21. März 1882 geweiht. Sie wurde von vergoldeten Kuppeln und Kreuzen geschmückt, und rundherum wuchsen Bäume und Flieder. An der Umzäunung wurden ehrenvolle Bürger beigesetzt.

Nach der Restaurierung bot die Kirche Platz für bis zu anderthalbtausend Menschen. Sie stand auf einem kleinen Platz neben den Fischläden und dem Haus der Fürstin Imeretinskaya. Die Südseite ging zur Nepluyevskaya-Straße, gegenüber der sich die weiblichen Bildungseinrichtungen befanden. 1892 bauten die Gemeindemitglieder auf dem Markt eine Kapelle mit fünf Kuppeln zur Erinnerung an die Rettung der kaiserlichen Familie im Jahr 1888. Zur Kirche gehörte auch ein Haus mit Wohnungen für Bedürftige.