En 1837 se consagró el lugar para el futuro templo de la Trinidad en Dnipro. Sin embargo, la ciudad, que había terminado recientemente la construcción de la catedral de la Transfiguración y estaba ocupada con la edificación de la iglesia de la Asunción, no pudo comenzar los trabajos. En 1845, el industrial forestal Fedor Duplienko donó 3,000 rublos, lo que permitió sentar las bases, pero pronto la construcción se detuvo nuevamente. Duplienko se encontró al borde de la quiebra y cesó el financiamiento. Más tarde, sus asuntos mejoraron, y hasta su muerte en 1848 donó alrededor de 100,000 rublos para el templo. En 1855, la iglesia fue completada y consagrada en nombre de la Santa Trinidad. El proyecto fue desarrollado por los arquitectos de San Petersburgo Ludwig Charlemagne y Petr Visconti.

La iglesia de la Trinidad era más pequeña y sencilla que la de la Asunción, y se diferenciaba mucho de su aspecto actual. No tenía campanario, edificios de servicio ni rejas forjadas, que se añadieron más tarde. El templo tenía tres altares: el altar derecho estaba dedicado a la imagen de la Virgen de Kazán, el izquierdo al apóstol Andrés el Primero Llamado, y el central a la Trinidad Vivificante. Estos altares dieron nombre a tres calles de la ciudad: la calle del Primero Llamado (hoy Korolenko), la calle de la Trinidad (hasta hace poco, calle Roja), la calle de Kazán (hoy Mijaíl Grushevsky, antes K. Liebknecht) y la plaza de la Trinidad (hasta hace poco, plaza Roja).

En 1862 se construyó un campanario frente a la iglesia según el proyecto de un arquitecto local. Más tarde, entre el campanario y el templo, se añadió un altar de conexión, que duplicó el área de la iglesia. El financiamiento de estos trabajos fue proporcionado por el comerciante Andrey Kirpichnikov y sus herederos, quienes destinaron 15,000 rublos.

A finales del siglo XIX, el anciano de la iglesia de la Trinidad fue el comerciante Iván Martynovich Alekseenko. Gracias a su apoyo, la iglesia construyó una tienda de velas, 12 tiendas en el mercado de Bajo-Trinidad, una casa para el clero y una escuela parroquial. A finales de los años 1900, comenzaron grandes trabajos de reparación. Para crear nuevos íconos y frescos, se invitó al pintor ucraniano Iván Izhakevich, quien realizó una serie de murales. Destacan especialmente las imágenes de los evangelistas y santos en los pilares del templo. Tras la muerte de Alekseenko en 1910, la reconstrucción se alargó y se completó solo en 1917.

En 1934, bajo el régimen ateo, la iglesia fue cerrada, las campanas fueron arrojadas y las cruces retiradas. En el territorio se instalaron almacenes, tiendas y talleres. En noviembre de 1941, durante la ocupación alemana, se reanudaron los servicios religiosos. En 1942, el templo fue parcialmente reparado según el proyecto del arquitecto Vladímir Samodriga, se colgaron las campanas, se enlucieron y blanquearon las paredes, se pintaron las cúpulas de verde y se devolvieron las cruces. En el interior, se desmontaron los techos y se limpiaron las pinturas que habían sido cubiertas.

Después de la guerra, el obispo Andrey Komarov estableció en el sótano un templo de la Natividad de Cristo. En la década de 1950, comenzaron grandes trabajos de restauración dentro de la catedral. Se restauraron las pinturas sobrevivientes de Izhakevich, se reemplazaron las frescos perdidos por nuevos, se creó un nuevo iconostasio, se construyó un pórtico y un balcón para el coro episcopal. Entre 1985 y 1987, la catedral fue adornada con candelabros, se instalaron nuevas cruces doradas, cercas metálicas, grandes ventanas y puertas laterales.

A principios del siglo XXI, gracias al apoyo del obispo Irineo Seredniy, se reanudaron los trabajos de restauración. En 2009, el presidente de la administración regional, Víctor Bondar, transfirió el edificio de la catedral y sus estructuras a la diócesis de Dnipropetrovsk.

En el territorio de la catedral hay un necrópolis donde están enterrados obispos y clérigos, incluidos Fedor Duplienko y Andrey Kirpichnikov. Durante los bombardeos de 1941, aquí fueron enterrados ciudadanos fallecidos.

En los últimos años, la cúpula del campanario y la cúpula central de la catedral fueron cubiertas con pan de oro, y brillan al sol. Es posible que con el tiempo las demás cúpulas también se vuelvan doradas.