Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es in Troizk zehn orthodoxe Kirchen und zwei Kapellen. Die Hauptkirche der Stadt war und bleibt die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale.

Im Jahr 1743, am Tag der Heiligen Dreifaltigkeit, legte der Orenburger Generalgouverneur I.I. Neplyuev eine Festung zu Ehren des Dreieinigen Gottes-Schöpfers und eine Kirche mit demselben Namen an. 1754 begann der Bau der Steinkirche, der 1762 abgeschlossen wurde. Es war eine einschiffige, fünfkuppelige Kirche ohne Glockenturm. 1775 wurde daneben eine warme Holzkirche mit zwei Altären erbaut: im Erdgeschoss zu Ehren der Himmelfahrt der Gottesmutter und im Obergeschoss, zu Ehren des Heiligen Nikolaus.

1823 wurde die Himmelfahrtskirche wegen Baufälligkeit abgerissen, und die Altäre wurden in die Dreifaltigkeitskirche verlegt. Nach dem Brand von 1842 wurde der Tempel für ein Jahr zur Wiederherstellung geschlossen. Im Zuge der Rekonstruktion wurde die Kathedrale erheblich vergrößert, die Speisehalle erweitert und an der Westseite ein vierstöckiger Glockenturm angebaut. Einen großen Beitrag zur Verschönerung der Kathedrale und anderer Stadtkirchen leistete der Ehrenbürger von Troizk V.M. Pupychev.

Das Klerus der Kathedrale nahm an allen bedeutenden Ereignissen teil, wie der Belagerung der Stadt durch Pugatschows Truppen im Jahr 1774, Bränden, Besuchen von geistlichen und weltlichen Persönlichkeiten, einschließlich des Thronfolgers Nikolai Alexandrowitsch im Juli 1891, und dem Kreuzgang mit dem wundertätigen Tabynska-Ikone der Gottesmutter. Alle neuen Kirchen in der Stadt waren ursprünglich der Kathedrale zugeordnet.

Bis 1913 gab es an der Kathedrale drei Pfarreischulen und drei städtische Schulen sowie eine Pfarreischule. Zu den bekannten Priestern gehörten F. Galyakhovsky, S. Biryukov, D. Ozeretskovsky, G. Amanatsky, I. Ternov, P. Sementovsky, V. Lavrovsky, V. Petropavlovsky, A. Budrin, M. Menstrov, I. Ilyin und G. Troitsky.

Im Jahr 1918 wurde, wie in anderen Kirchen Russlands, eine Inventarisierung des Eigentums in der Kathedrale durchgeführt, Werte wurden beschlagnahmt, und das Gebäude wurde als "Gebetshaus" in kommunalen Besitz überführt. In den 1920er Jahren, mit der Gründung des Chelyabinsk und Troizk Erzbistums, wurde die Heilige Dreifaltigkeitskirche zur Kathedrale. In den 1930er Jahren gab es Versuche, sie zu schließen, und im Mai 1940 bat der Exekutivausschuss des Stadtrats die Bezirks- und Regionalbehörden, die Kathedrale zu schließen. Im leerstehenden Gebäude wurden Lager, Wohnheime und ein Sportplatz eingerichtet.

Im Jahr 1997 wurde die Kirche den Gläubigen zurückgegeben, und am 7. März 1998 fand ihre Weihe statt. 2003 begann eine Gruppe von Restauratoren aus der Vereinigung "Rosrestavratsiya" des Ministeriums für Kultur der Russischen Föderation mit der Restaurierung der Wandmalerei der Kathedrale. Der Ikonenmaler Yu.S. Kadomtseva erstellt Ikonen für den Ikonostase.

Im Jahr 2012 stellten die Ikonenmaler S.N. Kolomytsyev und V.B. Yartseva die Malerei der Kuppel wieder her, basierend auf erhaltenen Fragmenten der Malerei des 19. Jahrhunderts.