En 1837, un site a été consacré à Dnipro pour le futur temple de la Trinité. Cependant, la ville, qui venait de terminer la construction de la cathédrale de la Transfiguration et était occupée à ériger l'église de l'Assomption, n'a pas pu commencer les travaux. En 1845, l'industriel forestier Fiodor Duplienko a fait don de 3 000 roubles, ce qui a permis de poser les fondations, mais la construction a rapidement été à nouveau arrêtée. Duplienko était au bord de la faillite et a cessé de financer le projet. Plus tard, ses affaires se sont améliorées, et jusqu'à sa mort en 1848, il a fait don d'environ 100 000 roubles pour l'église. En 1855, l'église a été achevée et consacrée au nom de la Sainte Trinité. Le projet a été conçu par les architectes de Saint-Pétersbourg Ludwig Charlemagne et Piotr Visconti.

L'église de la Trinité était plus petite et plus simple que l'église de l'Assomption, et différait considérablement de son apparence actuelle. Elle ne possédait pas de clocher, de bâtiments de service ni de clôture en fer forgé, qui ont été ajoutés plus tard. Le temple avait trois autels : le chapelle de droite était dédiée à l'icône de Kazan de la Mère de Dieu, celle de gauche au saint apôtre André le Premier appelé, et le central à la Sainte Trinité. Ces autels ont donné leurs noms à trois rues de la ville : rue Prévostanovska (aujourd'hui Korolenko), rue Troïtska (jusqu'à récemment Krasna), rue Kazanska (aujourd'hui Mikhaïlo Hrouchevsky, anciennement K. Liebknecht) et place Troïtska (jusqu'à récemment place Krasna).

En 1862, un clocher a été construit devant l'église selon le projet d'un architecte local. Plus tard, un chapelle de connexion a été ajouté entre le clocher et le temple, augmentant la superficie de l'église presque de moitié. Le financement de ces travaux a été assuré par le marchand Andreï Kirpichnikov et ses héritiers, qui ont alloué 15 000 roubles.

À la fin du XIXe siècle, le doyen de l'église de la Trinité était le marchand Ivan Martynovitch Alekseïenko. Grâce à son soutien, l'église a construit une boutique de bougies, 12 boutiques au marché de Basse-Troïtska, une maison pour le clergé et une école paroissiale. À la fin des années 1900, d'importants travaux de rénovation ont commencé. Pour créer de nouvelles icônes et fresques, un peintre ukrainien, Ivan Ijakévitch, a été invité, qui a réalisé une série de peintures murales. Les images des évangélistes et des saints sur les piliers du temple se distinguent particulièrement. Après la mort d'Alekseïenko en 1910, la reconstruction a traîné et n'a été achevée qu'en 1917.

En 1934, sous le régime athée, l'église a été fermée, les cloches ont été jetées et les croix enlevées. Des entrepôts, des magasins et des ateliers ont été installés sur le site. En novembre 1941, pendant l'occupation allemande, les services religieux ont repris. En 1942, le temple a été partiellement rénové selon le projet de l'architecte Vladimir Samodriga, des cloches ont été suspendues, les murs ont été crépis et blanchis, les dômes peints en vert et les croix remises. À l'intérieur, les plafonds ont été démontés et les peintures recouvertes ont été nettoyées.

Après la guerre, l'évêque André Komarov a établi au sous-sol un temple de la Nativité du Christ. Dans les années 1950, d'importants travaux de restauration ont commencé à l'intérieur de la cathédrale. Les peintures survivantes d'Ijakévitch ont été restaurées, les fresques perdues remplacées par de nouvelles, un nouvel iconostase a été créé, un porche et un balcon pour le chœur épiscopal ont été construits. Entre 1985 et 1987, la cathédrale a été ornée de candélabres, de nouvelles croix dorées, de clôtures métalliques, de grandes fenêtres et de portes latérales.

Au tournant des XXe et XXIe siècles, grâce au soutien de l'évêque Irinée Sérédi, les travaux de restauration ont repris. En 2009, le président de l'administration régionale Viktor Bondar a transféré le bâtiment de la cathédrale et ses structures au diocèse de Dnipropetrovsk.

Sur le territoire de la cathédrale se trouve un nécropole où reposent des archevêques et des prêtres, y compris Fiodor Duplienko et Andreï Kirpichnikov. Pendant les bombardements de 1941, des citoyens décédés ont été enterrés ici.

Ces dernières années, le dôme du clocher et le dôme central de la cathédrale ont été recouverts d'or en feuille, et ils brillent au soleil. Peut-être qu'avec le temps, les autres dômes deviendront également dorés.