Der Bau der Kathedrale dauerte drei Jahre, und 1838 wurde die Rohverkleidung des Tempels abgeschlossen. Am 7. September 1840 wurde die rechte Kapelle zu Ehren der Geburt der Heiligen Gottesmutter geweiht, am 18. Januar 1841 die linke Kapelle im Namen des Heiligen Nikolaus des Wundertäters, und am 31. Mai 1841 der Hauptaltar im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit.

Aus der Michael-Archangel-Kirche wurden die Hälfte der heiligen Gegenstände: Glocken, Bücher und Ikonen in die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale überführt. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entstand um die Kathedrale ein neues Stadtzentrum, der Platz um den Tempel wurde Dreifaltigkeitsplatz genannt. Der Bau der Kathedrale wurde von dem lokalen Beamten des Landgerichts, Vatlashev A.R., geleitet. 1863 wurde in den Glockenturm die Hauptglocke mit einem Gewicht von 333 Pud, etwa 5 Tonnen, installiert. 1880 wurde die Kathedrale ausgemalt.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Kathedrale mit elektrischer Beleuchtung von der ersten Elektrizitätsstation in Birsk ausgestattet, die auch das Haus von Konovalov versorgte. 1914 wurde ein Anbau an die Kathedrale von der Seite des Glockenturms errichtet. Die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale wurde oft auf Postkarten als Symbol der Stadt abgebildet.

1937 schlossen die Bolschewiki die Kathedrale und im selben Jahr wurde der Glockenturm abgerissen. Die Hauptglocke wurde abgenommen und nach Ufa geschickt, kam jedoch nie an. Ihr Schicksal ist unbekannt, möglicherweise wurde sie im Fluss Belaja versenkt. Aus den Ziegeln des Glockenturms wurde das Gebäude der Mittelschule Nr. 2 errichtet, heute Fakultät für Technologie und Unternehmertum. Die Kreuze von der Kathedrale wurden abgenommen und das Gebäude wurde in ein Kino namens „Aurora“ umgebaut. 1932 wurde ein Teil des Dreifaltigkeitsplatzes in einen Lenin-Park umgewandelt.

1956 begann die Kuppel zu lecken, und die lokalen Behörden entschieden sich für eine radikale Lösung, indem sie sie durch ein Satteldach ersetzten. 1963 wurde im Gebäude des Kinos ein öffentliches Stadtmuseum eröffnet, das mit Unterbrechungen bis Ende der 1980er Jahre arbeitete. Das Fehlen von Kapitalreparaturen führte zur Zerstörung des Tempels, und Restaurierungsversuche waren erfolglos.

1992 wurde das Kino wegen des maroden Zustands des Gebäudes geschlossen, und es wurde beschlossen, dass es günstiger sei, ein neues Kino zu bauen. Das Gebäude der ehemaligen Kathedrale befand sich in einem beklagenswerten Zustand: Das Dach leckte, die Fenster waren zerbrochen. Es gab keine Mittel für die Restaurierung, und das Gebäude wurde konserviert. In den 1990er Jahren wurde über sein weiteres Schicksal entschieden.

1994 wurde erneut über eine Restaurierung gesprochen, aber es fehlten die Mittel. 1996 wurden Ideen diskutiert, das Gebäude für ein historisches Museum oder andere Zwecke zu nutzen. 1997 wurde das Gebäude an das Ufaer Erzbistum übergeben.

In den 2000er Jahren begann die Restaurierung der Kathedrale. 2007 begann die Wiederherstellung der Kuppel, und es wurden 4 Fresken der Evangelisten entdeckt. 2008 wurden die Arbeiten eingestellt. 2012 wurde erneut die Frage der Restaurierung aufgeworfen. Am 3. Juni 2012 hielt Bischof Ambrosius einen Gottesdienst in der Kathedrale, was den Beginn ihrer Wiederbelebung markierte.

Im Januar 2013 begannen die Wiederherstellungsarbeiten. Am 3. April 2013 legte Bischof Ambrosius den Grundstein für den Glockenturm. Am 8. Juni 2013 wurde die Hauptkuppel installiert und 12 Glocken gebracht. Am 9. September 2013 wurde die Kuppel und das Kreuz auf den Glockenturm gehoben, sowie das Kreuz auf die Hauptkuppel des Tempels gesetzt.

Am 14. September 2013, anlässlich des 350-jährigen Jubiläums von Birsk, fand ein Kreuzweg zur Kathedrale statt, wo ein Wasserweihe-Gottesdienst abgehalten und ein Akathist gelesen wurde. Am 8. Januar 2015 fand in der restaurierten Kathedrale zum ersten Mal seit 78 Jahren eine Liturgie statt, und die Gottesdienste wurden regelmäßig.

Im Juli 2017 wurde das Bistum Birsk gegründet, und die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale wurde zu ihrem Haupttempel.