In der Stadt Orjol gab es keine geeignete Kathedrale, was den Bischof Smaragd dazu brachte, über den Bau einer neuen, geräumigeren Kirche in der Bischofresidenz nachzudenken. Die Borisoglebskij-Kathedrale war zu klein und unpraktisch, die Peter-und-Paul-Kirche wurde ständig renoviert, und die Uspenski-Kathedrale im Erzbischöflichen Haus konnte ebenfalls nicht alle wünschen, die an den Bischofs-Gottesdiensten teilnehmen wollten, unterbringen. Doch nach der Versetzung des Bischofs in das Bistum Rjasan im Jahr 1858 wurden die Pläne nicht verwirklicht.

Unter Bischof Polykarp (Radkevich) (1858-1867) begann am 5. Juni 1860 der Bau der fünfkuppeligen Ziegelkathedrale im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit, die am 29. Juni 1879 von Bischof Juvenalij (Karjukov) (1876-1882) geweiht wurde. Für den Bau wurden 200.000 Rubel ausgegeben.

Die Kathedrale wurde auf dem Gelände des Oberen Gartens des Erzbischöflichen Hauses nach dem Entwurf des Architekten N. Efimov errichtet. Im Jahr 1865 verbot der Architekt Maevski, der zur Überprüfung der eingestürzten Pokrowskaja-Kirche kam, den Bau der Kuppelgewölbe der Kathedrale. Auf Wunsch des Bischofs wurde ein Entwurf für Holzkupolen vorgeschlagen, die innen verputzt und außen mit Eisen verkleidet werden sollten.

In den 1930er Jahren des 20. Jahrhunderts zerstörten die Bolschewiki die Dreifaltigkeitskathedrale. Heute sind nur noch die Keller unter den Altarapsiden erhalten geblieben.