A principios del siglo XX, en Troitsk había diez iglesias ortodoxas y dos capillas. El principal templo de la ciudad era y sigue siendo la Catedral de la Santísima Trinidad.

En 1743, en el día de la Santísima Trinidad, el gobernador general de Orenburgo, I.I. Nepluev, fundó una fortaleza dedicada al Dios Creador Trino y una iglesia con el mismo nombre. En 1754 comenzó la construcción de la iglesia de piedra, que se completó en 1762. Era una iglesia de un solo altar con cinco cúpulas y sin campanario. En 1775 se construyó cerca una iglesia de madera caliente con dos altares: en el piso inferior en honor de la Dormición de la Madre de Dios y en el superior, en honor del santo Nicolás.

En 1823, debido a su deterioro, la iglesia de la Dormición fue desmantelada y los altares se trasladaron a la iglesia de la Trinidad. Después del incendio de 1842, el templo fue cerrado durante un año para su restauración. Durante la reconstrucción, la catedral aumentó significativamente en volumen, se amplió el refectorio y se añadió un campanario de cuatro niveles en el lado oeste. Un gran aporte a la mejora de la catedral y otras iglesias de la ciudad fue realizado por el ciudadano honorario de Troitsk, V.M. Pupychev.

El clero catedralicio participó en todos los eventos significativos, como el asedio de la ciudad por los pugachevistas en 1774, incendios, visitas de personalidades religiosas y civiles, incluyendo al heredero al trono Nicolás Alexandrovich en julio de 1891, y la procesión con la milagrosa icono de Tabynsk de la Madre de Dios. Todas las nuevas iglesias en la ciudad fueron inicialmente anexadas a la catedral.

Para 1913, en la catedral funcionaban tres escuelas parroquiales y tres escuelas urbanas, así como una escuela parroquial. Entre los sacerdotes conocidos estaban F. Galyakhovsky, S. Biryukov, D. Ozeretskovsky, G. Amanatsky, I. Ternov, P. Sementovsky, V. Lavrovsky, V. Petropavlovsky, A. Budrin, M. Menstrov, I. Ilyin y G. Troitsky.

En 1918, en la catedral, al igual que en otras iglesias de Rusia, se realizó un inventario de bienes, se confiscaron valores y el edificio se convirtió en propiedad municipal como "casa de oración". En la década de 1920, con la formación de la diócesis de Cheliábinsk y Troitsk, la iglesia de la Santísima Trinidad se convirtió en catedral. En la década de 1930 se intentó cerrarla, y en mayo de 1940, el comité ejecutivo del consejo de la ciudad pidió a las autoridades del distrito y de la región que cerraran la catedral. En el edificio vacío se instalaron un almacén, residencias y un gimnasio.

En 1997, la iglesia fue devuelta a los creyentes, y el 7 de marzo de 1998 se llevó a cabo su consagración. En 2003, un grupo de artistas restauradores de la asociación "Rosrestavratsiya" del Ministerio de Cultura de la Federación Rusa comenzó a trabajar en la restauración de la pintura mural de la catedral. La artista iconógrafa Y.S. Kadomtseva crea íconos para el iconostasio.

En 2012, los artistas iconógrafos S.N. Kolomytsiev y V.B. Yartseva restauraron la pintura del domo, basándose en los fragmentos de pintura del siglo XIX que se habían conservado.