Die erste Erwähnung der Dreifaltigkeitskirche in den Archivdokumenten datiert auf den 20. März 1782, als der Bischof von Wjatka und Großperm, Lawrentius, den Segen für die Umwandlung der auf dem Gelände der heutigen Michail-Kathedrale befindlichen Friedhofskapelle in die Dreifaltigkeitskirche gab. Dieser Tag kann als Geburtstag des Tempels betrachtet werden. 1784 wurde ein neues Holzgebäude der Kirche errichtet. Doch 1810 zerstörte ein Feuer viele Gebäude im oberen Teil des Dorfes, einschließlich der Friedhofskirche. Danach wurde der Friedhof an die östliche Grenze des Dorfes, an einen abgelegenen Ort, in der Nähe eines anderen Dorfes verlegt.

1814 wurde nach dem Entwurf des Architekten Semjon Emeljjanowitsch Dudins mit Mitteln der Staatskasse ein steinerner Tempel im klassischen Stil erbaut, der im November desselben Jahres im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit geweiht wurde. Hier wurden Handwerker, Beamte und Kaufleute beigesetzt, und auch Dudin fand hier seine Ruhe. Die architektonischen Vorzüge der Kirche wurden 1817 in der Moskauer Zeitschrift „Weschnik Europa“ hervorgehoben.

Von 1852 bis 1857 wurde an die Kirche ein Glockenturm nach dem Entwurf des Architekten I.T. Kokowikhin angebaut. In den Jahren 1912-1914, zum hundertjährigen Jubiläum der Kirche, wurde nach dem Entwurf des Provinzarchitekten I.A. Charuschin ein dreigeschossiger Glockenturm errichtet.

Die Dreifaltigkeitskirche und ihre Gemeindemitglieder halfen aktiv den Bedürftigen. Zum Beispiel wurde 1922 während der Hungersnot an Weihnachten in den Kirchen von Izhevsk eine Sammlung für die Hungernden organisiert, und allein in der Dreifaltigkeitskirche wurden 82.650 Rubel gesammelt.

Ende 1937 wurde das gesamte Geistliche der Dreifaltigkeitskathedrale in Izhevsk verhaftet, und die Kathedrale wurde geschlossen. Der Priester Trofim Michailowitsch Sterchow wurde am 11. September verhaftet und am 2. November zum Tode verurteilt. Der Abt Jakow Baschkow wurde am 27. Oktober verhaftet, am 5. November zum Tode verurteilt und am 29. November erschossen. Am 17. Dezember wurden der Pfarrer Protopriester Andrei Wiktorowitsch Wolkow und der Protodiener Stefan Azhgikhin verhaftet, die am 24. Dezember zum Tode verurteilt wurden, während der Priester Dmitri Ippolitowitsch Samjatin 10 Jahre Lager erhielt und am 17. April 1938 im Lager starb.

Im Jahr 1938 kämpften die Gemeindemitglieder gegen die Entscheidung der Behörden zur Schließung und Abriss der Kirche. Der Beschluss zum Abriss wurde am 3. Februar gefasst, aber dank eines Antrags in Moskau wurde der Schließungsprozess ausgesetzt. Die Behörden versicherten, dass der Bau eines Stadions und eines Parks die Gräber nicht beeinträchtigen würde. Letztendlich wurde die Kirche erst am 3. Oktober 1938 geschlossen, aber der Abriss fand nicht statt. Während des Krieges betrieb eine Bäckerei in dem Kirchengebäude. Im Oktober 1945 wurde die Kirche der Gemeinde zurückgegeben, und sie benötigte eine umfassende Renovierung. Der erste Gottesdienst fand am 17. März 1946 statt, und die Weihe des Hauptaltars erfolgte am 12. September 1946. Bis 1994 diente die Kirche als Kathedrale der Eparchie Izhevsk.

Von 1985 bis 1991 wurde nach dem Entwurf des Architekten S.A. Makarow ein einstöckiger Glockenturm und Anbauten sowie eine Taufkirche errichtet. Im Jahr 2000 wurde auf dem Gelände der Kathedrale eine neue Kirche zu Ehren des heiligen Märtyrers Panteleimon erbaut. Am 13. Mai 2018 weihte Metropolit Wiktorin die wiederhergestellte Kapelle zu Ehren der heiligen Märtyrerin Katharina. An diesem Tag fand auch die Umbettung der Überreste von etwa 2.500 Personen statt, die zuvor auf dem Dreifaltigkeitsfriedhof beigesetzt waren.

Seit 2000 wird die Kathedrale weiterhin verschönert: Das Innengelände wurde aufgewertet, Rasenflächen angelegt, ein Teich mit Brunnen und ein Alpengarten für die Erholung der Gemeindemitglieder angelegt.