Après la construction des églises de Noël, le vénérable Séraphim a chargé Elena Vassilievna Manturova d'acquérir un terrain près de l'église de Kazan. À son frère, Mikhaïl Vassilievitch, il a légué la garde de ce terrain, quelles que soient les circonstances. Le terrain était destiné à la construction d'une cathédrale à cinq dômes, dont le vénérable disait : "Quelle cathédrale nous aurons ! Merveille !.. Bien meilleure que celle de Sarov, et ils nous envieront !" Par la suite, Mikhaïl Vassilievitch a dû se battre contre Ivan Tikhonov, qui voulait poser les fondations de la cathédrale à sa manière. Cependant, le 5 juin 1848, la pose a eu lieu à l'endroit indiqué par le grand ancien. La construction de la cathédrale n'a pratiquement pas avancé jusqu'en 1865, lorsque l'abbesse Maria a mis de l'ordre dans l'économie du monastère. En raison des troubles, les dons pour la cathédrale n'ont pas été reçus, et la construction a continué avec des moyens modestes. Non loin, sur le terrain du monastère, une usine a été aménagée et des briques ont commencé à être produites.

À l'origine, il était prévu de consacrer la cathédrale en l'honneur de l'icône "L'Attente" de la Mère de Dieu, mais l'évêque de Nijni Novgorod, Ioannikiy, l'a déterminée pour la gloire de la Sainte Trinité Vivante et Vivifiante. Cette décision a été confirmée par un signe particulier : lors de l'élévation de la croix en 1874, trois colombes blanches tourbillonnaient au-dessus d'elle, tandis qu'en dessous, trois grues décrivaient des cercles. De nombreux miracles se produisaient dans la cathédrale en construction. En hiver, lorsque la cathédrale était fermée, des bruits de travail se faisaient entendre à l'intérieur. Le soir ou la nuit, une lumière inhabituelle était visible au-dessus de la cathédrale. En 1875, l'illustre Ioannikiy a décidé de consacrer la cathédrale avec les trois icônes nécessaires. Le jour de la consécration coïncidait avec la fête de l'icône "L'Attente" de Serafimo-Diveevo le 28 juillet. En l'honneur de cette icône, le 2 juin 1880, le bas-côté droit a été consacré. Le 3 juin 1884, le sanctuaire à droite dans les chœurs a été consacré au nom de l'icône de la Mère de Dieu de Vladimir-Ora, et le lendemain, le bas-côté gauche dans les chœurs en l'honneur de la Troisième découverte de la tête de Jean-Baptiste. L'abbesse Maria a laissé le bas-côté gauche non consacré pendant 28 ans, attendant la glorification du père Séraphim. Le 22 juillet 1903, juste après sa glorification, le bas-côté a été consacré. Le projet de la cathédrale a été élaboré par l'architecte A.I. Rezano, élève de l'académicien K.D. Ton, qui achevait la construction de l'église du Christ Sauveur à Moscou. C'est pourquoi il y a une nette ressemblance entre la cathédrale de la Trinité et l'église moscovite. Le dernier service nocturne avant la dissolution du monastère en l'honneur de la Nativité de la Mère de Dieu a été célébré dans la cathédrale par un hiéromoine, qui s'est retrouvé à Diveevo après la dissolution du monastère de Sarov, car ce jour-là tous les prêtres de Diveevo ont été arrêtés. En octobre 1989, la cathédrale de la Trinité a été remise à la communauté ecclésiale. Au printemps 1990, sous un arc-en-ciel clair, une croix a été érigée. Les services dans la cathédrale ont repris le samedi de la Louange de la Très Sainte Mère de Dieu en avril 1990, lorsque le sanctuaire principal a été consacré. Depuis le 1er janvier 1991, des services dans la cathédrale principale de Diveevo sont célébrés quotidiennement.