Der Troitzki-Tempel, der an der Stelle der heutigen Kathedrale steht, wird erstmals zu Beginn des 17. Jahrhunderts erwähnt. Dieser Ort, der ehemalige Kreml, ist zentral im Leben der Stadt. Die moderne Kathedrale steht hier seit etwa 200 Jahren, aber die Geschichte der hölzernen und steinernen Troitzki-Tempel, die an diesem Ort waren, reicht ebenso weit zurück.

Im Jahr 1610 wurde in Kaluga Lžedmitrij II von einem seiner Vertrauten getötet. In Verbindung mit seiner Beerdigung wird erstmals der hölzerne Troitzki-Tempel erwähnt. Acht Jahre später eroberten und plünderten die Kosaken unter dem Kommando von Sahaidachny Kaluga, und der Tempel brannte bei einem Feuer nieder. Er wurde bald darauf wieder aufgebaut.

Im Jahr 1626 wird der Tempel als hölzern mit zwei Türmen und einer Kapelle des Johannes des Evangelisten beschrieben. Im Jahr 1687 wurde anstelle des alten hölzernen Tempels ein steinerner Tempel mit Mitteln der Witwe des Boyaren S. T. Chitrovo, Anna Petrowna, zum Gedenken an den Zaren Fjodor Alexejewitsch erbaut. Dieser Tempel stand hundert Jahre und verfiel. 1786 begann der Bau der neuen Kathedrale, der 33 Jahre dauerte. Katharina II. stellte die erste Summe für den Bau zur Verfügung, und die Weihe der Kathedrale fand unter ihrem Enkel Alexander I. nach dem Vaterländischen Krieg statt. Die alte Kathedrale wurde abgerissen, und ihre Materialien wurden für die neue verwendet, aber die Gottesdienste fanden bis 1799 weiterhin statt.

Das Projekt der Kathedrale entwarf der Gouvernementsarchitekt Iwan Denisowitsch Jasnygin, ein Schüler von Kazakov. Die Architektur der Kathedrale ist einfach und klar, aber die Konstruktion ist einzigartig dank der ersten großen freitragenden Kuppel in Russland. Der äußere Durchmesser der Kuppel beträgt 20 Meter, der innere fast 17 Meter. In denselben Jahren wurde die Kasaner Kathedrale in St. Petersburg mit einer Kuppel von 15 Metern Durchmesser gebaut. Beide Kathedralen wurden 1811 fertiggestellt, aber in der Kaluger Kathedrale wurden die Ausbauarbeiten aufgrund des Krieges von 1812 unterbrochen. Die Weihe fand am 10. April 1819 statt. Die Innenhöhe der Kathedrale beträgt 36 Meter, der Glockenturm 70 Meter. Es war die größte Kathedrale in der Region.

Im 19. Jahrhundert war der Troitzki-Tempel für die Kaluger das, was die Christ-Erlöser-Kirche für die Moskauer war, und stellte ein Denkmal für den Sieg von 1812 dar. Hier wurden die Fahnen der Kaluger Miliz und die Fahne des Asowschen Infanterieregiments aufbewahrt. Im Inneren wurde ein 8 Meter hoher Ikonostase des Architekten M.F. Kazakov aufgestellt, der einzige bekannte in Russland.

In der Sowjetzeit wurde der Tempel verwüstet, und der Ikonostase ging verloren. 1924 wurde die Kathedrale geschlossen und in ein Verteidigungsheim umgebaut. Hier gab es Kreise des Osoviahim, eine Schule für Zivilschutz, ein Kino und sogar einen Tierpark. Im Herbst 1941, beim Rückzug der Roten Armee, wurde beschlossen, die Kathedrale zu sprengen, aber der Leiter der Zivilschutzschule ersetzte die Explosion durch einen Brand. Der Tempel brannte im Inneren aus, hielt aber stand. Seit den 1960er Jahren war hier eine Sportschule untergebracht. Am 23. August 1991 wurde die Troitzki-Kathedrale an die Russische Orthodoxe Kirche zurückgegeben.

Im Jahr 2000 wurden in der Glockenturm Glocken installiert, die größte wiegt 5100 kg.