Después de la construcción de las iglesias navideñas, el venerable Serafim encargó a Elena Vasilyevna Manturova adquirir un terreno cerca de la iglesia de Kazán. A su hermano, Mikhail Vasilyevich, le legó la tarea de cuidar este terreno, sin importar las circunstancias. La tierra estaba destinada a la construcción de una catedral de cinco cúpulas, sobre la cual el venerable decía: "¡Qué catedral tendremos! ¡Maravilla!.. ¡Mucho mejor que la de Sarov, y nos envidiarán!" Posteriormente, Mikhail Vasilyevich tuvo que luchar contra Ivan Tikhonov, quien quería edificar la catedral a su manera. Sin embargo, el 5 de junio de 1848, se realizó la colocación de la primera piedra en el lugar señalado por el gran anciano. La construcción de la catedral prácticamente no avanzó hasta 1865, cuando la abadesa María organizó la economía del monasterio. Debido a la confusión, no llegaron donaciones para la catedral, y la construcción continuó con modestos recursos. Cerca, en la tierra del monasterio, se estableció una fábrica y comenzaron a producir ladrillos.

Inicialmente se planeaba consagrar la catedral en honor a la imagen de la "Consolación" de la Madre de Dios, pero el obispo de Nizhni Nóvgorod, Ioannikiy, la determinó en honor a la Trinidad Vivificante y Dadora de Vida. Esta decisión se confirmó con un signo especial: al erigir la cruz en 1874, sobre ella volaban tres palomas blancas, y más abajo, tres grúas describían círculos. En la catedral en construcción ocurrieron muchos milagros. En invierno, cuando la catedral estaba cerrada, se oían sonidos de trabajo en su interior. Por las noches, se veía una luz inusual sobre la catedral. En 1875, el obispo Ioannikiy decidió inesperadamente consagrar la catedral con las tres imágenes necesarias. El día de la consagración coincidió con la festividad de la imagen de la "Consolación" de Serafimo-Diveevo el 28 de julio. En honor a esta imagen, el 2 de junio de 1880 se consagró el altar inferior derecho. El 3 de junio de 1884 se consagró a la derecha en el coro el altar en nombre de la imagen de la Madre de Dios de Vladimir-Orańskaya, y al día siguiente el altar izquierdo en el coro en honor a la Tercera aparición de la cabeza de Juan el Bautista. La abadesa María dejó el altar inferior izquierdo sin consagrar durante 28 años, esperando la glorificación del padre Serafim. El 22 de julio de 1903, justo después de su glorificación, se consagró el altar. El proyecto de la catedral fue desarrollado por el arquitecto A.I. Rezánov, alumno del académico K.D. Ton, quien finalizó la construcción de la iglesia de Cristo Salvador en Moscú. Por lo tanto, hay una notable similitud entre la catedral de la Trinidad y la iglesia moscovita. La última vigilia antes de la disolución del monasterio en honor al nacimiento de la Madre de Dios, el 21 de septiembre de 1927, fue celebrada en la catedral por un ieromonje, que se encontraba en Diveevo después de la disolución del monasterio de Sarov, ya que ese día arrestaron a todos los sacerdotes de Diveevo. En octubre de 1989, la catedral de la Trinidad fue entregada a la comunidad eclesiástica. En la primavera de 1990, bajo un claro arcoíris, se erigió una cruz. Los servicios en la catedral se reanudaron el sábado de la Alabanza de la Santísima Madre de Dios en abril de 1990, cuando se consagró el altar principal. Desde el 1 de enero de 1991, los servicios en la catedral principal de Diveevo se celebran diariamente.