Au début du XXe siècle, Troitsk comptait dix églises orthodoxes et deux chapelles. Le principal temple de la ville était et reste la cathédrale de la Sainte Trinité.

En 1743, le jour de la Sainte Trinité, le gouverneur général d'Orenbourg I.I. Nepluev a posé la première pierre d'une forteresse dédiée au Dieu Créateur Trinitaire et d'une église du même nom. En 1754, la construction de l'église en pierre a commencé, achevée en 1762. C'était une église à un autel avec cinq coupoles, sans clocher. En 1775, une église en bois chauffée avec deux autels a été construite à proximité : au rez-de-chaussée en l'honneur de l'Assomption de la Mère de Dieu, à l'étage supérieur, en l'honneur de saint Nicolas.

En 1823, en raison de l'état vétuste de l'église de l'Assomption, celle-ci a été démolie et les autels ont été transférés à l'église de la Trinité. Après l'incendie de 1842, le temple a été fermé pendant un an pour restauration. Au cours de la reconstruction, la cathédrale a considérablement augmenté en volume, la salle à manger a été agrandie, et un clocher à quatre niveaux a été ajouté du côté ouest. Un grand apport à l'embellissement de la cathédrale et d'autres églises de la ville a été fait par le citoyen d'honneur de Troitsk V.M. Poupyshev.

Le clergé de la cathédrale a participé à tous les événements significatifs, tels que le siège de la ville par les Pugachevistes en 1774, les incendies, les visites de personnalités religieuses et civiles, y compris l'héritier du trône Nicolas Alexandrovitch en juillet 1891, et la procession avec l'icône miraculeuse de Tabynsk de la Mère de Dieu. Toutes les nouvelles églises de la ville étaient initialement rattachées à la cathédrale.

En 1913, trois écoles paroissiales et trois écoles urbaines, ainsi qu'une école paroissiale, étaient en activité près de la cathédrale. Parmi les prêtres célèbres figuraient F. Galyakhovsky, S. Biryukov, D. Ozeretskovsky, G. Amanatsky, I. Ternov, P. Sementovsky, V. Lavrovsky, V. Petropavlovsky, A. Budrin, M. Menstrov, I. Ilyin et G. Troitsky.

En 1918, dans la cathédrale, comme dans d'autres églises de Russie, un inventaire des biens a été effectué, des valeurs ont été saisies, et le bâtiment est devenu propriété municipale en tant que « maison de prière ». Dans les années 1920, avec la création de l'évêché de Tcheliabinsk et de Troitsk, l'église de la Sainte Trinité est devenue cathédrale. Dans les années 1930, des tentatives de fermeture ont été faites, et en mai 1940, le comité exécutif du conseil municipal a demandé aux autorités régionales et provinciales de fermer la cathédrale. Dans le bâtiment vide, des entrepôts, des dortoirs et une salle de sport ont été aménagés.

En 1997, l'église a été restituée aux croyants, et le 7 mars 1998, elle a été consacrée. En 2003, un groupe d'artistes restaurateurs de l'association « Rosrestavratsiya » du ministère de la Culture de la Fédération de Russie a commencé les travaux de restauration de la peinture murale de la cathédrale. L'iconographe Y.S. Kadomtseva crée des icônes pour le retable.

En 2012, les artistes iconographes S.N. Kolomytsyev et V.B. Yartseva ont restauré la peinture du dôme, en s'appuyant sur des fragments de peinture du XIXe siècle qui ont été conservés.