La construcción de la catedral duró tres años, y en 1838 se completó el acabado preliminar del templo. El 7 de septiembre de 1840 se consagró el altar derecho en honor al Nacimiento de la Santísima Virgen María, el 18 de enero de 1841, el altar izquierdo en nombre del santo Nicolás el Milagroso, y el 31 de mayo de 1841, el altar principal en nombre de la Santa Trinidad Vivificante.

De la iglesia de San Miguel Arcángel se transfirieron a la catedral de la Trinidad Vivificante la mitad de los objetos sagrados: campanas, libros e íconos. En la segunda mitad del siglo XIX, se formó un nuevo centro urbano alrededor de la catedral, y la plaza alrededor del templo se llamó Plaza de la Trinidad. La construcción de la catedral fue dirigida por el funcionario local del tribunal de la tierra, A.R. Vatlashev. En 1863 se instaló la campana principal en el campanario, que pesaba 333 puds, alrededor de 5 toneladas. En 1880, la catedral fue decorada con pinturas.

A principios del siglo XX, la catedral fue equipada con iluminación eléctrica de la primera central eléctrica en Birsk, que también atendía la casa de Konovalov. En 1914, se anexó una parte al templo desde el lado del campanario. La catedral de la Trinidad Vivificante a menudo se representaba en postales como símbolo de la ciudad.

En 1937, los bolcheviques cerraron la catedral, y ese mismo año demolieron el campanario. La campana principal fue retirada y enviada a Ufa, pero nunca llegó. Su destino es desconocido, posiblemente fue hundida en el río Belaia. Con los ladrillos del campanario se construyó el edificio de la escuela secundaria n.º 2, actualmente facultad de tecnología y emprendimiento. Se retiraron las cruces de la catedral, y el edificio se remodeló como cine "Aurora". En 1932, parte de la Plaza de la Trinidad se destinó a un parque en honor a Lenin.

En 1956, la cúpula comenzó a gotear, y las autoridades locales decidieron el problema de manera radical, reemplazándola por un techo a dos aguas. En 1963, se inauguró un museo público de la ciudad en el edificio del cine, que funcionó con interrupciones hasta finales de la década de 1980. La falta de mantenimiento llevó a la destrucción del templo, y los intentos de restauración fueron infructuosos.

En 1992, el cine fue cerrado debido al estado de emergencia del edificio, y se decidió que era más barato construir un nuevo cine. El edificio de la antigua catedral se encontraba en un estado lamentable: el techo goteaba, las ventanas estaban rotas. No se encontraron fondos para la restauración, y el edificio fue conservado. En la década de 1990, se discutió su futuro.

En 1994, se volvió a hablar de restauración, pero no había suficientes fondos. En 1996, se discutieron ideas para utilizar el edificio como museo histórico u otros fines. En 1997, el edificio fue transferido a la diócesis de Ufa.

En la década de 2000, comenzó la restauración de la catedral. En 2007, se inició la restauración de la cúpula, y se descubrieron 4 frescos de los evangelistas. En 2008, se suspendieron los trabajos. En 2012, se volvió a plantear la cuestión de la restauración. El 3 de junio de 2012, el obispo Ambrosio celebró un servicio en la catedral, lo que marcó el inicio de su renacimiento.

En enero de 2013, comenzaron los trabajos de restauración. El 3 de abril de 2013, el obispo Ambrosio colocó la base del campanario. El 8 de junio de 2013, se instaló la cúpula principal y se trajeron 12 campanas. El 9 de septiembre de 2013, se levantó la cúpula y la cruz en el campanario, así como se instaló la cruz en la cúpula principal del templo.

El 14 de septiembre de 2013, en honor al 350 aniversario de Birsk, se llevó a cabo una procesión hacia la catedral, donde se realizó un servicio de bendición del agua y se leyó un akathist. El 8 de enero de 2015, en la catedral restaurada, se celebró la Liturgia por primera vez en 78 años, y los servicios religiosos se volvieron regulares.

En julio de 2017, se formó la diócesis de Birsk, y la catedral de la Trinidad Vivificante se convirtió en su templo principal.