Die Kathedrale der Heiligen Dreifaltigkeit wurde am 30. August (11. September) 1860 feierlich eingeweiht, im Rahmen des Baus russischer Gebäude auf den vom Palästinakomitee erworbenen Grundstücken am Meydam-Platz in Jerusalem. Die Grundsteinlegung wurde vom ersten Episkop des Jerusalemer Patriarchen, dem Metropoliten von Petra und Arabien, Meletios, und dem Leiter der Mission, Bischof Kyrill (Naumov), in Anwesenheit des russischen und griechischen Klerus durchgeführt.

Das Projekt wurde vom russischen Architekten Martin Eppinger entworfen. Ursprünglich war geplant, die Kirche zu Ehren des Heiligen Alexander Newski, dem Schutzpatron von Alexander II., zu weihen, jedoch entschied man sich später, sie der Heiligen Dreifaltigkeit zu widmen.

Der Bau der Dreifaltigkeitskathedrale wurde 1863 abgeschlossen, die Weihe fand jedoch erst am 27. Oktober (8. November) 1872 statt. Der Jerusalemer Patriarch Kyrill II. leitete den Gottesdienst, unterstützt von vier Hierarchen der Jerusalemer orthodoxen Kirche und dem Leiter der Mission, Archimandrit Antonin (Kapustin). Im Dezember desselben Jahres wurde eine Glocke in den Glockenturm gehoben. Die Gottesdienste in der Kathedrale fanden täglich statt.

In den Jahren 1895 und 1897 wurde die Kathedrale renoviert. Das Dach und die Umrandung wurden repariert, und die Kleisterfarbe von den Wänden und Säulen wurde abgeschabt, woraufhin das Innere dreimal weiß gestrichen wurde. Anschließend wurde die Kathedrale mit heiligen Bildern geschmückt, und aus dem Altar wurde ein überdachter Notausgang geschaffen.

Während des britischen Mandats blieb die Dreifaltigkeitskathedrale aktiv und stand unter der Jurisdiktion der Russischen Orthodoxen Kirche im Ausland. Während des Ersten Arabisch-Israelischen Krieges wurde die Kirche stark beschädigt. Seit 1948 steht sie unter der Jurisdiktion der Russischen Orthodoxen Kirche.

Die Kathedrale ist ein weißsteiniger, fünfkuppeliges Gebäude im neobyzantinischen Stil. Der geschnitzte Ikonostase, der 1869 in St. Petersburg von N. A. Leontiev gefertigt wurde, erhielt eine Silbermedaille auf der Allrussischen Manufakturausstellung 1870. Die vergoldeten Zarenpforten, die von Großherzog Konstantin Nikolajewitsch, dem Vorsitzenden des Palästinakomitees, gestiftet wurden, schmücken die Kathedrale.