La iglesia de la Santísima Trinidad fue una de las primeras iglesias temporales, la cuarta después de la catedral de la Asunción, la iglesia hospitalaria de la Resurrección y la iglesia cosaca de Nicolás. Fue construida y consagrada en 1740 para el regimiento de Penza, y en 1745 fue trasladada de Samara a Orenburgo, que se convirtió en el centro de administración de la región de Orenburgo en 1743. En 1744, la iglesia se convirtió en militar para el batallón del regimiento de Nizhni Nóvgorod, trasladado desde Ufá. Originalmente de madera, fue reconstruida en piedra entre 1781 y 1786. De las primeras cuatro iglesias, solo la de la Trinidad sobrevivió hasta la época soviética. Las demás dejaron de existir: la de la Asunción fue reemplazada por la catedral de la Introducción en 1758, la de Nicolás se quemó en 1786, y la de la Resurrección fue desmantelada debido a su deterioro y reemplazada por la iglesia de la Exaltación de la Cruz en 1770.

La construcción de la iglesia de piedra de la Trinidad comenzó en 1774 con fondos públicos y donaciones de los ciudadanos en memoria de la liberación de Orenburgo del asedio de las tropas de Pugachov. Debido a la falta de fondos tras un largo asedio, la construcción duró ocho años, y la iglesia fue consagrada en 1783. El edificio sufrió repetidamente por incendios en la ciudad, especialmente en 1786 y 1879. Se añadió el campanario en 1807, y en 1828 se agregaron dos capillas: la derecha en honor a la Asunción de la Santísima Virgen María y la izquierda en nombre del santo Nicolás el Milagroso, en memoria de las desaparecidas iglesias de la Asunción y de Nicolás. El altar principal fue dedicado a la Santísima Trinidad Vivificante.

En 1876, con fondos del anciano Grigori Pozharsky, la iglesia fue rodeada por una reja de hierro fundido con columnas de piedra y puertas. Después del incendio de 1879, la iglesia fue restaurada con donaciones recolectadas por los feligreses y mediante suscripciones en diferentes ciudades. El comerciante Iván Shibaev y los sirvientes de la iglesia, incluido el rector Matvey Lyubochestnov, participaron activamente en la recolección de fondos. Los comerciantes Zarivnovy, Moshkovy, Vanyushiny, Ryzhkovy y los hermanos Sachkovy, así como Mijaíl Motalyev, hicieron contribuciones significativas. Con los fondos de Vasili Myakinkov e Iván Sachkov, se creó un iconostasio dorado con 22 íconos, cuatro de los cuales fueron realizados por la escuela académica de pintura de Moscú. La iglesia fue consagrada el 21 de marzo de 1882. Estaba adornada con cúpulas y cruces doradas, y alrededor crecían árboles y lilas. En la reja se enterraba a los ciudadanos honorables.

Después de la restauración, la iglesia podía albergar hasta mil quinientas personas. Se encontraba en una pequeña plaza junto a las pescaderías y la casa de la princesa Imeretinskaya. El lado sur daba a la calle Nepluyevskaya, frente a la cual se encontraban instituciones educativas femeninas. En 1892, los feligreses construyeron en el mercado una capilla con cinco cúpulas en memoria del salvamento de la familia imperial en 1888. También había una casa con apartamentos para los necesitados.