Die orthodoxe Kirche der Tscheljabinsker Diözese der Russisch-Orthodoxen Kirche ist die größte der Stadt. Die erste Heilig-Troitzki-Kirche wurde 1768 in Saretsche gegründet. 1909 wurde beschlossen, an diesem Ort eine neue Kirche zu bauen, und der Bau begann 1911. Die Kirche wurde am 12. Oktober 1914 geweiht. In der Sowjetzeit, am 1. Oktober 1929, wurde die Kirche geschlossen, und es war geplant, in ihrem Gebäude ein Kino zu eröffnen, das das erste im zaristischen Teil der Stadt werden sollte. Die Stadtverwaltung entschied jedoch, dort Ausstellungen des Heimatmuseums unterzubringen. Von 1931 bis 1932 wurde das Museum in die Christgeburt-Kathedrale verlegt, kehrte aber nach deren Abriss in das Gebäude der Heilig-Troitzki-Kirche zurück. In den Jahren 1987-1988 wurde das Gebäude restauriert und 1990 der Tscheljabinsker und Zlatooust-Diözese übergeben und erneut geweiht. Die inneren künstlerischen Arbeiten wurden von dem Künstler N. F. Kostjuk ausgeführt.

Das zentrale historische Archiv Moskaus berichtete, dass neben der Versicherungsschätzung keine weiteren Dokumente über die Heilig-Troitzki-Kathedrale in Tscheljabinsk gefunden wurden.

Die Kathedrale ist mit reichen Fresken im Stil von Wassenkow und einem schönen Zedern-Ikonostase geschmückt. Der Chor der Kirche führt seltene und feierliche Werke von Komponisten wie Rachmaninow, Bortnjansky, Tschesnokow, Tschaikowski und anderen auf.

Nach der Zerstörung der Christgeburt-Kathedrale wurde die Heilig-Troitzki-Kirche zur größten Kirche in Tscheljabinsk. In der Kirche werden Reliquien von Heiligen aufbewahrt: des heiligen Seraphim von Sarow, des heiligen Märtyrers Trifon, des Apostels Andreas des Ersten Berufenen, des heiligen Märtyrers Panteleimon und der heiligen seligen Matrona von Moskau.