El templo, ubicado en el tercer piso del seminario, fue pintado por el artista moscovita Chereidnikov con la ayuda de asistentes y el conocido artista de Orenburgo, Lukian Popov. En las paredes se representan a los santos en tamaño natural. Sobre el arco frente al altar se muestra la entrada solemne del Señor Jesucristo en Jerusalén. El 26 de agosto de 1884, el templo, dedicado a los tres santos: Basilio el Grande, Gregorio el Teólogo e Ignacio de Antioquía, fue consagrado por el obispo Benjamín II, quien celebró la primera Liturgia en él. La iglesia de enseñanza recibió numerosas donaciones. Uno de los benefactores, que deseaba permanecer en el anonimato, regaló a la icono de la Madre de Dios una vestidura de plata con una corona dorada, adornada con siete piedras: tres diamantes y tres rubíes rosas. También donó una campana de 20 puds. La abadesa del monasterio de la Asunción de Orenburgo, Taísia, regaló un cáliz de plata, y el supervisor del seminario espiritual, Nikolai Speransky, un analoy con un mantel bordado. El sacerdote de la iglesia de la Trinidad de Orenburgo, Ioann Razypninsky, que sirvió en la catedral militar de San Jorge y en la iglesia de la Protección del pueblo de Tashla, entregó varias iconos. La iglesia de los Tres Santos recibió muchas otras donaciones de sus benefactores.

El año académico 1917-1918 fue el último para el seminario, ya que el edificio fue ocupado por las tropas del Ejército Rojo. Más tarde, aquí se estableció la escuela de aviación Chkalov, trasladada desde Serpukhov, y desde 1995, el cuerpo municipal de cadetes en nombre de I.I. Nepluev. Gracias a los esfuerzos del metropolitano de Orenburgo y Buzuluk, Valentín, parte del edificio del seminario fue devuelta a la diócesis por decisión del consejo municipal de Orenburgo del 15 de junio de 2007. Después de la restauración, se inauguró el seminario espiritual de Orenburgo. Las pinturas desaparecidas del templo fueron restauradas según los bocetos originales, que se conservaron en el Archivo Histórico Estatal de Rusia. Para la pintura del templo restaurado, se invitó a los maestros del taller de iconografía de Palekh "Lik" del asentamiento de Palekh en la región de Ivanovo. El líder del grupo de artistas, Oleg Romanovich Shurkus, visitó el Monte Athos antes de comenzar los trabajos. En marzo de 2010, los iconógrafos comenzaron la pintura desde el techo del comedor, en septiembre comenzaron la parte central, y desde marzo de 2011 finalizaron los trabajos en el vestíbulo.

En el altar de la iglesia se encuentra una antigua icono "La Oración del Cáliz", creada por el famoso artista ruso Vladimir Egorovich Makovsky, transferida desde la catedral de la Protección. Anteriormente, se encontraba en la catedral de Kazán de Orenburgo. También hay aquí una icono de la Madre de Dios de Kazán en una vestidura metálica y una icono del santo Nicolás el Milagroso, pintada por el iconógrafo de Orsk, el proto-presbítero Serguéi Baranov, entregada por el obispo de Orsk y Gai, Irineo.

Toda la actividad del seminario se centra en torno al templo, que es su corazón. Aquí se celebran diariamente los servicios litúrgicos y la lectura de las reglas de oración para los estudiantes. Cualquiera que lo desee puede venir aquí para orar. En 2014, el seminario celebró el 130 aniversario de su fundación.