Nach dem Bau der Weihnachtskirchen beauftragte der heilige Seraphim Elena Wasiljewna Manturova, ein Grundstück neben der Kasankirche zu erwerben. Ihrem Bruder, Michail Wasiljewitsch, hinterließ er den Auftrag, dieses Land unter allen Umständen zu bewahren. Das Land war für den Bau einer fünfkuppeligen Kathedrale vorgesehen, von der der heilige Seraphim sagte: "Was für eine Kathedrale wir haben werden! Ein Wunder!.. Viel besser als die von Sarow, und sie werden uns beneiden!" Später musste Michail Wasiljewitsch gegen Ivan Tichonow kämpfen, der die Kathedrale nach seinem Ermessen errichten wollte. Doch am 5. Juni 1848 fand die Grundsteinlegung an dem vom großen Alten angegebenen Ort statt. Der Bau der Kathedrale wurde bis 1865 praktisch nicht fortgesetzt, bis die Äbtissin Maria die Wirtschaft des Klosters in Ordnung brachte. Aufgrund der Unruhen kamen keine Spenden für die Kathedrale, und der Bau wurde mit bescheidenen Mitteln fortgesetzt. In der Nähe wurde auf dem Klostergelände eine Fabrik eingerichtet und Ziegel hergestellt.

Ursprünglich war geplant, die Kathedrale zu Ehren des Ikone "Erbarmen" der Gottesmutter zu weihen, aber der Nischni Nowgoroder Bischof Joannikij bestimmte sie zur Ehre der Lebendigen und Lebensspendenden Dreifaltigkeit. Diese Entscheidung wurde durch ein besonderes Zeichen bestätigt: Bei der Errichtung des Kreuzes im Jahr 1874 umschwirrten drei weiße Tauben es, während darunter drei Kraniche Kreise zogen. In der im Bau befindlichen Kathedrale geschahen viele Wunder. Im Winter, als die Kathedrale verschlossen war, waren Geräusche von Arbeiten im Inneren zu hören. Abends oder nachts wurde über der Kathedrale ein ungewöhnliches Licht gesehen. Im Jahr 1875 beschloss der hochwürdige Joannikij unerwartet, die Kathedrale mit den drei notwendigen Ikonen zu weihen. Der Weihe-Tag fiel auf das Fest der Ikone "Erbarmen" von Seraphimo-Diveevo am 28. Juli. Zu Ehren dieser Ikone wurde am 2. Juni 1880 der rechte untere Altar geweiht. Am 3. Juni 1884 wurde rechts in den Chören der Altar im Namen der Ikone der Gottesmutter von Wladimir-Orańsk geweiht, und am nächsten Tag der linke Altar in den Chören zu Ehren der dritten Auffindung des Hauptes von Johannes dem Täufer. Der linke untere Altar blieb 28 Jahre lang ungeweiht, da Äbtissin Maria auf die Heiligsprechung des Vaters Seraphim wartete. Am 22. Juli 1903, sofort nach seiner Heiligsprechung, wurde der Altar geweiht. Das Projekt der Kathedrale wurde von dem Architekten A.I. Resanow, einem Schüler des Akademikers K.D. Ton, der den Bau der Christ-Erlöser-Kirche in Moskau abschloss, entwickelt. Daher gibt es eine auffällige Ähnlichkeit zwischen der Dreifaltigkeitskathedrale und der Moskauer Kirche. Den letzten Nachtgottesdienst vor der Schließung des Klosters zu Ehren der Geburt der Gottesmutter hielt am 21. September 1927 ein Hieromönch in der Kathedrale, der nach der Schließung des Sarower Klosters in Diveevo war, da an diesem Tag alle Diveevo-Priester verhaftet wurden. Im Oktober 1989 wurde die Dreifaltigkeitskathedrale der Kirchengemeinde übergeben. Im Frühjahr 1990 wurde bei klarem Regenbogen ein Kreuz aufgestellt. Die Gottesdienste in der Kathedrale wurden am Samstag der Lobpreisung der Heiligen Gottesmutter im April 1990 wieder aufgenommen, als der Hauptaltar geweiht wurde. Seit dem 1. Januar 1991 finden die Gottesdienste in der Hauptkathedrale von Diveevo täglich statt.