Im Jahr 1838 beschloss die Äbtissin des Nikolaevski-Staro-Torzhok-Klosters, Äbtissin Taisia, einen steinernen Tempel, die Kathedrale der Heiligen Dreifaltigkeit, zu bauen. Das ursprüngliche Projekt wurde von dem Ingenieur Lwow, einem Mitglied der gubernialen Baukommission, entwickelt. Anschließend wurden die Zeichnungen in der Kommission für Projekte und Kostenvoranschläge der Hauptverwaltung für Verkehrswege und öffentliche Gebäude in Petersburg erheblich überarbeitet, um die Architektur zu verbessern. Der Auftragnehmer war ein Bauer aus der Nischni-Nowgorod-Region, Pawel Gurjanowitsch Truchin. Der Bau dauerte von 1839 bis 1859. Die Kathedrale hatte drei Altäre: zu Ehren der Lebensspendenden Dreifaltigkeit, des Schutzes der Gottesmutter und des heiligen Nikolaus von Myra.

Anfang 1919 wurde das Kloster geschlossen, und in seinen Gebäuden wurde ein Waisenhaus eingerichtet, das bis 1962 bestand. 1936 verlor die Kathedrale ihre Kreuze und vier Kuppeln. In ihrem Inneren wurde das zweite Dampfkraftwerk der Stadt untergebracht, das seit 1939 in Betrieb war. Nach dem Anschluss von Galich an das staatliche Energiesystem im Jahr 1963 wurde das Kraftwerk geschlossen, und im Gebäude der Kathedrale wurde eine Heizungsanlage für die Pädagogische Hochschule eingerichtet. In der Sowjetzeit wurden die kleinen Kuppeln der Kathedrale zerstört, und das Gebäude wurde unter Müll und Schmutz begraben.

In den 1990er Jahren begann die Restaurierung der Kathedrale, während der die kleinen Kuppeln wiederhergestellt wurden, aber die Arbeiten wurden nicht abgeschlossen, und die Kathedrale wurde nicht an die Kirche zurückgegeben. Am 8. Februar 2017 inspizierten Auftragnehmer, Vertreter der Stadtverwaltung und Geistliche die Kathedrale, um die Restaurierungsarbeiten zu besprechen. Die Finanzierung erfolgte im Rahmen des Projekts „Historisches Gedächtnis“, das von Michail Kozlov, einem Mitglied des Föderationsrates aus der Region Kostroma, betreut wurde.

Am 25. Februar 2017 hielt der Bischof von Galich und Makaryev, Alexij Eliseev, einen Wasserweihe-Gottesdienst zur Erneuerung und zum Beginn der Restaurierung in der Kathedrale ab. Zu diesem Zeitpunkt waren um die Kathedrale Baugerüste aufgestellt worden, und der Abbau neuer Konstruktionen, die die Restaurierung behinderten, hatte begonnen. Die Arbeiten wurden im Rahmen des föderalen Zielprogramms „Kultur Russlands, Historisches Gedächtnis“ finanziert. Anfang Mai, nach Abschluss der Heizsaison, begann der Abbau der Heizungsanlage, was es den Auftragnehmern ermöglichte, mit den Innenausbauarbeiten und dem Einbau von Decken fortzufahren. Ende Mai war der Abbau abgeschlossen, und die Arbeiten im Inneren der Kathedrale wurden fortgesetzt.

Im Juni begann die Vergoldung der Kuppeln mit Titan-Nitrid. Bis zum 17. Juli waren vier kleine Kuppeln vergoldet, und anschließend auch die zentrale. Am 31. Juli berichteten die „Galichskiye Izvestiya“, dass die Kathedrale, die von sowjetischen „Wucherungen“ befreit und aus dem Boden erhoben wurde, riesig und hell erschien. Am 9. August 2017 wurden auf den Kuppeln vergoldete Kreuze installiert, die in St. Petersburg hergestellt wurden. Danach begannen die Arbeiten zur Gestaltung des Innenraums der Kathedrale. An den Wänden traten Flecken von Heizöl auf, die aus sowjetischer Zeit stammten. Bis August 2018 wurde die Montage von Fenster- und Türrahmen aus Lärche abgeschlossen, und an den Fenstern wurden Gitter angebracht.