Im Jahr 1837 wurde in Dnipro der Ort für die zukünftige Dreifaltigkeitskirche geweiht. Doch die Stadt, die gerade den Bau der Verklärungskathedrale abgeschlossen hatte und mit dem Bau der Dormitionkirche beschäftigt war, konnte die Arbeiten nicht beginnen. 1845 spendete der Holzunternehmer Fjodor Dupljenko 3.000 Rubel, was den Grundstein legte, aber bald wurde der Bau erneut gestoppt. Dupljenko stand vor dem Ruin und stellte die Finanzierung ein. Später verbesserten sich seine Geschäfte, und bis zu seinem Tod im Jahr 1848 spendete er etwa 100.000 Rubel für die Kirche. 1855 wurde die Kirche fertiggestellt und im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit geweiht. Das Projekt wurde von den Petersburger Architekten Ludwig Scharleman und Peter Visconti entworfen.

Die Dreifaltigkeitskirche war kleiner und einfacher als die Dormitionkirche und unterschied sich stark von ihrem heutigen Aussehen. Sie hatte keinen Glockenturm, keine Dienstgebäude und keinen schmiedeeisernen Zaun, die später hinzugefügt wurden. Die Kirche hatte drei Altäre: der rechte Altar war der Ikone der Gottesmutter von Kasan gewidmet, der linke dem heiligen Apostel Andreas, und der zentrale der Lebensspendenden Dreifaltigkeit. Diese Altäre gaben den Namen für drei städtische Straßen: der Apostelstraße (heute Korolenko), der Dreifaltigkeitsstraße (bis vor kurzem Rote Straße), der Kasanstraße (heute Michail Grushewskij, früher K. Liebknecht) und dem Dreifaltigkeitsplatz (bis vor kurzem Platz Rote).

1862 wurde vor der Kirche ein Glockenturm nach dem Entwurf eines lokalen Architekten errichtet. Später wurde zwischen dem Glockenturm und der Kirche ein verbindender Altar hinzugefügt, der die Fläche der Kirche fast verdoppelte. Die Finanzierung dieser Arbeiten wurde von dem Kaufmann Andrei Kirpichnikov und seinen Erben sichergestellt, die 15.000 Rubel bereitstellten.

Am Ende des 19. Jahrhunderts wurde der Kaufmann Ivan Martynovich Alekseenko zum Vorsteher der Dreifaltigkeitskirche. Dank seiner Unterstützung baute die Kirche einen Kerzenladen, 12 Läden auf dem Niederen Dreifaltigkeitsmarkt, ein Pfarrhaus und eine kirchliche Schule. Ende der 1900er Jahre begannen umfangreiche Renovierungsarbeiten. Für die Schaffung neuer Ikonen und Fresken wurde der ukrainische Maler Ivan Izjakevich eingeladen, der eine Reihe von Wandmalereien schuf. Besonders hervorstechend sind die Darstellungen der Evangelisten und Heiligen an den Pfeilern der Kirche. Nach dem Tod von Alekseenko im Jahr 1910 zog sich die Rekonstruktion hin und wurde erst 1917 abgeschlossen.

Im Jahr 1934, unter dem atheistischen Regime, wurde die Kirche geschlossen, die Glocken wurden abgeworfen, die Kreuze abgenommen. Auf dem Gelände wurden Lagerhäuser, Geschäfte und Werkstätten eingerichtet. Im November 1941, während der deutschen Besatzung, wurden die Gottesdienste wieder aufgenommen. 1942 wurde die Kirche teilweise nach dem Entwurf des Architekten Wladimir Samodriga renoviert, die Glocken wurden aufgehängt, die Wände verputzt und weiß gestrichen, die Kuppeln grün gestrichen und die Kreuze zurückgebracht. Im Inneren wurden die Decken abgerissen und die übermalten Malereien gereinigt.

Nach dem Krieg richtete Bischof Andrei Komarov im Untergeschoss die Kirche der Geburt Christi ein. In den 1950er Jahren begannen große Restaurierungsarbeiten im Inneren der Kathedrale. Die erhaltenen Malereien von Izjakevich wurden restauriert, die verlorenen Fresken durch neue ersetzt, ein neuer Ikonostase geschaffen, ein Vorbau für die Pforte und ein Balkon für den Bischofschor gebaut. In den Jahren 1985-1987 wurde die Kathedrale mit Kronleuchtern geschmückt, neue vergoldete Kreuze, Metallzäune, große Fenster und Seitentüren installiert.

An der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert, dank der Unterstützung von Bischof Irinij Serednij, wurden die Restaurierungsarbeiten wieder aufgenommen. Im Jahr 2009 übergab der Vorsitzende der regionalen Verwaltung, Viktor Bondar, das Gebäude der Kathedrale und ihre Bauten an das Bistum Dnipropetrowsk.

Auf dem Gelände der Kathedrale befindet sich ein Nekropolis, in dem Bischöfe und Geistliche, darunter Fjodor Dupljenko und Andrei Kirpichnikov, beerdigt sind. Während der Bombardierungen im Jahr 1941 wurden hier gefallene Bürger beigesetzt.

In den letzten Jahren wurden die Kuppel des Glockenturms und die zentrale Kuppel der Kathedrale mit Blattgold bedeckt, und sie strahlen in der Sonne. Möglicherweise werden mit der Zeit auch die anderen Kuppeln golden.