Der Klosterkathedrale, ursprünglich aus Holz, wurde an diesem Ort im Jahr 1576 errichtet. Der Bau auf der Nordseite des Hügels wurde von dem Abt Kyrill initiiert, einem der ersten orthodoxen Missionare der Region. Dies wird durch das kaiserliche Dekret von Ivan Vasilievich bestätigt, in dem erwähnt wird, dass er "seinem Pilger, dem Abt Kyrill", verschiedene Vergünstigungen gewährt, weil dieser "im Kloster eine gemeinsame Stätte gebaut und den Tempel der Lebendigen Dreifaltigkeit errichtet hat".

Später initiierte der Metropolit Savvatij den Bau der Steinkirche. Zu dieser Zeit hatten die Mönche des Dreifaltigkeitsklosters Handelsläden in der Stadt und handelten dort zollfrei, außerdem besaßen sie Fischereirechte. Dies ermöglichte es, Mittel für den Bau der Steinkathedrale anzusammeln, die bis 1603 fertiggestellt wurde. In Astrachan kam es damals häufig zu großen Bränden, und im Jahr 1623 erfasste einer von ihnen nicht nur die Stadt, sondern auch den Kremlhof. Danach wurde das Dreifaltigkeitskloster schnell wiederhergestellt.

Im Jahr 1700 wurde das Dreifaltigkeitskloster der Dreifaltigkeits-Sergius-Lavra zugeordnet und blieb bis 1764 unter deren Verwaltung. Von 1765 bis 1807 standen die Klostergebäude unter der Verwaltung des Komitees für öffentliche Fürsorge, und die Astrachaner Behörden planten sogar, alle Gebäude des Klosters abzureißen. Die Zellen und die Heiligen Tore wurden abgerissen, das Ziegelmaterial wurde für den Bau eines Gymnasiums verwendet, aber Erzbischof Anastasij Bratanovski konnte die Kirchen verteidigen.

Die Kirche stellt einen komplexen architektonischen Komplex dar. Auf der Westseite befinden sich die Speisesäle, große und kleine, die 1974 restauriert wurden, und im Norden zwei Kirchen, umgeben von einheitlichen Galerien im Untergeschoss. Die Kirchen sind kreuzkuppelig, vierstützig, dreichörig mit abgesenkten Stützenbögen, fünfkuppelig; die Äste des Kreuzes und die Ecken sind mit Kreuzgewölben mit runden Säulen überdeckt. Ursprünglich waren die Kuppeln der Kathedrale helmförmig, aber bei der Restaurierung 1974 wurden sie zwiebelförmig gestaltet, und gleichzeitig wurde die Kirche mit Dachblech aus Kupfer gedeckt; neue Kreuze und Kegel wurden hergestellt, die vergoldet und an ihren Platz gesetzt wurden; die weißen Steindetails am Gesims wurden vorsichtig gereinigt und restauriert. Im großen Speisesaal geht die Säule sanft in die Gewölbe über, die sanft auf die massive Wand abfallen. An der Basis der Säule befindet sich eine spiralförmige Mauerwerksstruktur. Zwischen den Fenstern an den Wänden sind spitzbogige Nischen angeordnet, die an Schießscharten in den Zinnen des Kremls erinnern, aber blind sind. In diesen Nischen wurden Lampen installiert, und entlang der Wände standen lange Tische für die Mahlzeiten der Klosterbrüder.

Das Dreifaltigkeitskloster war eine wahre Schatzkammer der alt-russischen Kunst. In der Klosterbeschreibung, die im Juni 1769 erstellt wurde, werden solche Beschreibungen erwähnt: Auf vielen Ikonen waren bestickte Tücher oder Tücher drapiert, auf der Ikone der Wladimirer Gottesmutter war "ein rotes Tuch, bestickt mit kleinen Perlen, mit blauer Fransen" drapiert, auf einer anderen Ikone "ein Kamtschatka-Tuch, ganz bestickt mit bunten Körnern". Die Dreifaltigkeitskathedrale wurde mehrfach geplündert, sodass bis heute kein einziges Objekt, keine einzige alte Ikone des Dreifaltigkeitsklosters erhalten geblieben ist.