El templo de la Trinidad, ubicado en el lugar de la actual catedral, se menciona por primera vez a principios del siglo XVII. Este lugar, el antiguo kremlin, es central en la vida de la ciudad. La catedral moderna ha estado aquí durante aproximadamente 200 años, pero la historia de los templos de madera y piedra de la Trinidad que estuvieron en este lugar es igual de larga.

En 1610, en Kaluga, el falso Dmitri II murió a manos de uno de sus allegados. En relación con su entierro, se menciona por primera vez el templo de madera de la Trinidad. Ocho años después, los cosacos, liderados por Sagaidachny, capturaron y saquearon Kaluga, y el templo se quemó en el incendio. Pronto fue restaurado.

En 1626, el templo se describe como de madera, con dos cúpulas y una capilla de San Juan Evangelista. En 1687, en el lugar del antiguo templo de madera, se construyó uno de piedra con los fondos de la viuda del boyardo S. T. Jitrovo, Anna Petrovna, en memoria del soberano Fiódor Alexéyevich. Este templo estuvo en pie durante cien años y se deterioró. En 1786 comenzó la construcción de la nueva catedral, que duró 33 años. Catalina II asignó la primera suma para la construcción, y la catedral fue consagrada bajo su nieto Alejandro I, después de la Guerra Patriótica. El antiguo templo fue desmantelado, y sus materiales se utilizaron para el nuevo, pero los servicios continuaron hasta 1799.

El proyecto de la catedral fue desarrollado por el arquitecto provincial Iván Denisovich Yasnigin, alumno de Kazakov. La arquitectura de la catedral es simple y concisa, pero la estructura es única gracias a la primera gran cúpula sin soportes en Rusia. El diámetro externo de la cúpula es de 20 metros, el interno, casi 17 metros. En esos mismos años se construyó la catedral de Kazán en San Petersburgo con una cúpula de 15 metros de diámetro. Ambas catedrales se completaron en 1811, pero en la catedral de Kaluga los trabajos de acabado se interrumpieron debido a la guerra de 1812. La consagración tuvo lugar el 10 de abril de 1819. La altura interna de la catedral es de 36 metros, y el campanario, 70 metros. Fue la catedral más grande de la región.

En el siglo XIX, el templo de la Trinidad era para los kalugianos lo que la Catedral de Cristo Salvador era para los moscovitas, y era un monumento a la victoria de 1812. En él se guardaban los estandartes de la milicia de Kaluga y el estandarte del regimiento de infantería de Azov. Dentro se instaló un iconostasio de 8 metros del arquitecto M.F. Kazakov, el único conocido en Rusia.

En la época soviética, el templo fue profanado y el iconostasio se perdió. En 1924, la catedral fue cerrada y remodelada como Casa de Defensa. Aquí había círculos de Osoaviakhim, una escuela de PVC, un cine e incluso un zoológico. En otoño de 1941, al retirarse el Ejército Rojo, se decidió volar la catedral, pero el jefe de la escuela de PVC cambió la explosión por un incendio. El templo se quemó por dentro, pero se mantuvo en pie. Desde la década de 1960, albergó una escuela deportiva. El 23 de agosto de 1991, la catedral de la Trinidad fue devuelta a la Iglesia Ortodoxa Rusa.

En 2000, se instalaron campanas en el campanario, siendo la principal de 5100 kg.