La construction de la cathédrale a duré trois ans, et en 1838, la finition brute du temple a été achevée. Le 7 septembre 1840, le chœur droit a été consacré en l'honneur de la Nativité de la Sainte Vierge, le 18 janvier 1841, le chœur gauche au nom de saint Nicolas le Thaumaturge, et le 31 mai 1841, l'autel principal au nom de la Sainte Trinité Vivifiante.

De l'église Saint-Michel-Archange, la moitié des objets sacrés a été transférée à la cathédrale de la Sainte Trinité : cloches, livres et icônes. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, un nouveau centre urbain s'est formé autour de la cathédrale, et la place autour du temple a été nommée place de la Trinité. La construction de la cathédrale a été dirigée par un fonctionnaire local du tribunal de district, Vatlachev A.R. En 1863, la cloche principale pesant 333 pouds, soit environ 5 tonnes, a été installée dans le clocher. En 1880, la cathédrale a été peinte.

Au début du XXe siècle, la cathédrale a été équipée d'un éclairage électrique provenant de la première centrale électrique de Birsk, qui alimentait également la maison de Konovalov. En 1914, une partie a été ajoutée à la cathédrale du côté du clocher. La cathédrale de la Sainte Trinité était souvent représentée sur des cartes postales comme symbole de la ville.

En 1937, les bolcheviks ont fermé la cathédrale, et la même année, le clocher a été démoli. La cloche principale a été retirée et envoyée à Oufa, mais elle n'est jamais arrivée. Son sort est inconnu, peut-être a-t-elle été noyée dans la rivière Bely. Avec les briques du clocher, un bâtiment de l'école secondaire n°2 a été construit, aujourd'hui faculté de technologie et d'entrepreneuriat. Les croix de la cathédrale ont été enlevées, et le bâtiment a été transformé en cinéma « Aurora ». En 1932, une partie de la place de la Trinité a été donnée pour le parc nommé d'après Lénine.

En 1956, le dôme a commencé à fuir, et les autorités locales ont résolu le problème de manière radicale en le remplaçant par un toit à deux versants. En 1963, un musée public de la ville a ouvert dans le bâtiment du cinéma, qui a fonctionné par intermittence jusqu'à la fin des années 1980. L'absence de réparations majeures a conduit à la destruction du temple, et les tentatives de restauration ont échoué.

En 1992, le cinéma a été fermé en raison de l'état d'urgence du bâtiment, et il a été décidé qu'il serait moins cher de construire un nouveau cinéma. Le bâtiment de l'ancienne cathédrale était dans un état lamentable : le toit fuyait, les fenêtres étaient brisées. Aucun fonds n'a été trouvé pour la restauration, et le bâtiment a été conservé. Dans les années 1990, son sort futur a été discuté.

En 1994, on a de nouveau parlé de restauration, mais les fonds étaient insuffisants. En 1996, des idées ont été discutées pour utiliser le bâtiment comme musée historique ou à d'autres fins. En 1997, le bâtiment a été transféré à l'Éparchie d'Oufa.

Dans les années 2000, la restauration de la cathédrale a commencé. En 2007, la restauration du dôme a commencé, et quatre fresques des évangélistes ont été découvertes. En 2008, les travaux ont été suspendus. En 2012, la question de la restauration a été à nouveau soulevée. Le 3 juin 2012, l'évêque Ambroise a célébré un service dans la cathédrale, marquant le début de sa renaissance.

En janvier 2013, les travaux de restauration ont commencé. Le 3 avril 2013, l'évêque Ambroise a posé la première pierre du clocher. Le 8 juin 2013, le dôme principal a été installé et 12 cloches ont été livrées. Le 9 septembre 2013, le dôme et la croix ont été élevés sur le clocher, et la croix a également été installée sur le dôme principal du temple.

Le 14 septembre 2013, à l'occasion du 350e anniversaire de Birsk, une procession a eu lieu vers la cathédrale, où un service de bénédiction de l'eau a été célébré et un akathiste a été lu. Le 8 janvier 2015, pour la première fois en 78 ans, une liturgie a eu lieu dans la cathédrale restaurée, et les services religieux sont devenus réguliers.

En juillet 2017, l'Éparchie de Birsk a été formée, et la cathédrale de la Sainte Trinité est devenue son temple principal.