Zu Beginn des 18. Jahrhunderts befand sich das Heilige Dreifaltigkeitskloster in einem verwahrlosten Zustand. Der Metropolit Philotheus, der besondere Sorge um das Kloster zeigte, beschloss, es in Ordnung zu bringen und majestätischer zu gestalten. In Tyumen gab es nur wenige Exilanten, insbesondere Maurer, insgesamt sechs Personen, von denen vier die Mariä-Entschlafens-Kathedrale bauten. Daher wurden einheimische Bewohner für den Bau der Kirche herangezogen.

Am 12. Juni 1709 verfügte Kaiser Peter I., aus der Tobolsker Schatzkammer tausend Rubel für den Bau der Kirche bereitzustellen, ohne das Blech für das Dach zu zählen. Dank dieser Mittel war es möglich, Arbeiter einzustellen. Der Gouverneur Fürst Gagarin half dem Metropoliten ebenfalls, indem er Maurer und Ziegelmacher aus Verchotur und Soli Kamsk sowie Schmiede und Zimmerleute schickte.

Im siebten Jahr seines Aufenthalts in Sibirien erkrankte Metropolit Philotheus schwer. 1709 nahm er die Mönchsgelübde mit dem Namen Theodor an und zog sich zur Ruhe ins Heilige Dreifaltigkeitskloster zurück. Bis zur Ankunft des Metropoliten von Tobolsk, Ioann Maximovich, am 14. August 1711, leitete Philotheus die Diözese aus dem Kloster. Der Mönch Theodor setzte den Bau der Kathedrale fort. Trotz des Erlasses von Peter I. vom 9. Dezember 1714, der den Bau von Steingebäuden in Städten außer St. Petersburg verbot, wurden die Arbeiten im Tyumener Kloster fortgesetzt. Die Namen und Standorte der Altäre änderten sich, aber der zentrale Teil, die Dreifaltigkeitskathedrale, blieb so, wie es der Heilige Philotheus geplant hatte.

Die Kathedrale wurde 1715 fertiggestellt, und der Mönch Theodor bat den Heiligen Ioann um eine Segensurkunde für ihre Weihe. Die Urkunde wurde erhalten, und die Kathedrale wurde am 3./16. Juni 1715 geweiht. Die zweigeschossige, fünfkuppelige Dreifaltigkeitskathedrale wurde zu einem echten Juwel des Klosters. Im Inneren schmückten prächtige Ikonostasen, die in Gold und leuchtenden Farben erstrahlten, den Tempel. Die Ikonen wurden von Mönchen aus Kiew gemalt. Der erste Ikonostase hielt anderthalb Jahrhunderte. Auch die Verklärungskapelle hatte einen schönen Ikonostase, der bis in die 1920er Jahre erhalten blieb. Daten über die Wandmalereien der Kathedrale sind nicht erhalten geblieben.

Die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale wurde am 11. August 1923 geschlossen. Trotz der Veränderungen hofften die ehemaligen Gemeindemitglieder auf die Wiederaufnahme der Gottesdienste. 1925 gründeten sie die Gemeinde der Heiligen Dreifaltigkeitskathedrale, aber die Bitten um die Durchführung von Gottesdiensten und die Übergabe von Kirchengeräten wurden abgelehnt. Nach 1927 wurden keine Versuche unternommen, das Gebetsleben wiederzubeleben.

Am 22. Februar 1995 beschloss der Heilige Synod, das Heilige Dreifaltigkeitskloster wiederzubeleben. Am 2. September 1995 besuchten die Bischöfe Wasilij Rodzjanko und Dimitri die Kathedrale und äußerten ihr Vertrauen in ihre Wiederbelebung. Am 7. März 1996 wurde ein Gutachten über den Zustand der Kathedrale erstellt, das auf die Notwendigkeit umfangreicher Renovierungsarbeiten hinwies.

Am 10. Dezember 1996 wurde die Kathedrale der Tobolsk-Tyumen Diözese übergeben. Der erste Gottesdienst in der Uspenskaya-Kapelle fand am 28. August 2001 statt, danach wurden sie regelmäßig.

Am 16. November 2001 besuchte der Gouverneur der Region Tyumen, S.S. Sobyanin, die Kathedrale und versprach Hilfe bei ihrer Wiederherstellung. Im Jahr 2002 begannen die Arbeiten in der Hauptkapelle, und am 29. November 2002 begann die Montage des Ikonostase. Am 17. März 2003 wurden die Arbeiten an seiner Installation fortgesetzt.

Am 15. Juni 2003 hielt Erzbischof Dimitri den ersten Gottesdienst in der Kathedrale seit 80 Jahren. Am 28. November 2005 wurden neue vergoldete Kuppeln installiert.

Im Februar 2014 wurde die Kathedrale zur umfassenden Restaurierung geschlossen.