El centro histórico de Vyazma se considera la alta orilla izquierda del río, conocida como "Colina de la Catedral", donde durante siglos se eleva el templo central de la ciudad, la Catedral de la Trinidad. En el lugar de un antiguo asentamiento del siglo XI-XIII, en la segunda mitad del siglo XVII se construyó un templo de piedra. El historiador I. P. Vinogradov escribió: "La montaña de la catedral, es la 'ciudad alta pequeña', en ella estaban tres torres de madera. En la fortaleza principal, entre dos grandes torres, se colocó la base de la nueva catedral de piedra". La primera mención de la iglesia de madera de San Nicolás en este lugar data de 1015 y está relacionada con "La Vida del Santo Arcadio de Vyazma y Novotorzhsk".

Según las leyendas, ya a finales del siglo X y principios del XI, en la Colina de la Catedral había un templo en honor a San Nicolás. Durante la existencia del principado de Vyazma, desde 1239 hasta 1403, fue catedral. En 1406, aquí fue enterrado el príncipe Simeón de Vyazma, asesinado en Torzhok junto con su esposa Iuliana por el príncipe Yuri de Smolensk. En 1495, en el templo oró la novia del gran príncipe lituano Alejandro, Elena, hija del gran príncipe de Moscú Iván III. Después de la toma de Smolensk en 1514, en el templo oró el gran príncipe Basilio III. En 1565, el zar Iván IV dejó aquí un sinódico con los nombres de los ejecutados durante su reinado.

Por orden de Boris Godunov, en 1597-1598, la deteriorada catedral de San Nicolás fue desmantelada y en su lugar se construyó una nueva con los altares de San Sergio, de la Trinidad y de la Navidad. En 1610, el templo fue saqueado por las tropas polacas bajo el mando de Zholkevsky. En 1612, en la catedral se leyó un llamamiento del Monasterio de Sergio y se envió a la milicia a Moscú. En 1635, por orden del zar Mijaíl Fiódorovich, la catedral fue reconstruida y renombrada como la de la Trinidad en honor a la paz de Polyanov.

El zar Alexéi Mijáilovich y el patriarca Nikon visitaron la catedral en 1654. En memoria de este evento, con fondos del zar se construyó una catedral de piedra entre 1674 y 1676. Desde 1681, por orden del zar Fiódor Alexéyevich, se estableció una cátedra de obispos de Vyazma en el templo. En los siglos XVII y XVIII, junto a la catedral se encontraba la casa del metropolitano de Krutitsy.

En 1765, los comerciantes hermanos Kalashnikov trajeron a la catedral desde Moscú una copia de la icono de la Madre de Dios de Iver. En 1771, cuando la peste azotó Rusia, milagrosamente evitó Vyazma. En memoria de este evento, en 1773 se construyó un altar en honor a la icono de Iver con fondos del comerciante Avksentiy Fatov.

Durante la Guerra Patriótica de 1812, la catedral fue quemada y parcialmente destruida. Los franceses organizaron un almacén de sal en la parte sobreviviente. Después de la expulsión del enemigo, la catedral permaneció sin servicios durante varios años. Con fondos del Santo Sínodo, la catedral fue restaurada entre 1813 y 1815. En ese momento, el rector era el protoiereo Esteban Goranski.

En 1836, con ladrillos de la campanario derrumbado, se construyó una capilla de piedra cerca del puente de Smolensk, que existió hasta la década de 1930. Entre 1847 y 1849, con fondos del comerciante Petr Sabelnikov, se reconstruyó el altar de Iver y se añadió un pequeño altar en honor a los príncipes Boris y Gleb. En 1850 se construyó un campanario de piedra de cuatro niveles. En 1896, después de las inspecciones del arquitecto Gunst y los ingenieros Morozov y Yastrebov, se realizaron trabajos para reforzar los cimientos del templo.

En 1918 se estableció el vicariato de Vyazma. En 1922, se retiraron del templo los ornamentos de plata, utensilios y perlas. La catedral fue cerrada en 1929 y sus riquezas desaparecieron. Los servicios se reanudaron a finales de 1941 y desde entonces no se han interrumpido. Se realizaron trabajos de restauración en 1974, 1977, 1982 y 2000.

En el altar de Iver se guarda la imagen tallada de San Nicolás "Nicolás de Mozhaisk", restaurada en la década de 1990. El 3 de mayo de 1993, la catedral fue visitada por el patriarca Alexio II. Gracias a los esfuerzos de benefactores locales, se construyó una capilla en honor al santo Arcadio de Vyazma, donde se colocó la piedra sobre la que el santo oró. Desde la calle Lenin se construyó un arco de piedra con puertas.