Au début du XVIIIe siècle, le monastère de la Sainte-Trinité était dans un état de délabrement. L'archevêque Philothée, montrant un soin particulier pour le monastère, décida de le remettre en état et de le rendre plus majestueux. À Tyumen, il y avait peu de bagnards, en particulier de maçons, seulement six personnes, dont quatre construisaient la cathédrale de l'Annonciation. Par conséquent, la construction de l'église a commencé à impliquer les habitants locaux.

Le 12 juin 1709, l'empereur Pierre Ier ordonna de débloquer mille roubles du trésor de Tobolsk pour la construction de l'église, sans compter le fer pour le toit. Grâce à ces fonds, il devint possible d'engager des ouvriers. Le gouverneur, le prince Gagarine, a également aidé l'archevêque en envoyant des maçons et des briquetiers de Verkhoturye et de Soli Kamskaya, ainsi que des forgerons et des charpentiers.

Au septième année de son séjour en Sibérie, l'archevêque Philothée tomba gravement malade. En 1709, il prit le schème sous le nom de Théodore et se retira au monastère de la Sainte-Trinité. Avant l'arrivée de l'archevêque de Tobolsk, Jean Maximovitch, le 14 août 1711, Philothée géra le diocèse depuis le monastère. Le schimonk Théodore continua à diriger la construction de la cathédrale. Malgré le décret de Pierre Ier du 9 décembre 1714 interdisant la construction en pierre dans les villes, sauf à Saint-Pétersbourg, les travaux au monastère de Tyumen se poursuivirent. Les noms et l'emplacement des autels changèrent, mais la partie centrale, la Trinité, resta telle que l'avait conçue le saint Philothée.

La cathédrale fut achevée en 1715, et le schimonk Théodore demanda au saint Jean une lettre de bénédiction pour son inauguration. La lettre fut reçue, et la cathédrale fut consacrée le 3/16 juin 1715. La cathédrale à deux étages et à cinq coupoles devint un véritable joyau du monastère. À l'intérieur, le temple était décoré de magnifiques iconostases, brillants d'or et de couleurs vives. Les icônes étaient peintes par des moines-artistes invités de Kiev. Le premier iconostase servit pendant un siècle et demi. La chapelle de la Transfiguration avait également un bel iconostase, qui subsista jusqu'aux années 1920. Aucune donnée sur la peinture murale de la cathédrale n'a été conservée.

La cathédrale de la Sainte-Trinité fut fermée le 11 août 1923. Malgré les changements, les anciens paroissiens espéraient la reprise des services religieux. En 1925, ils créèrent la communauté de la cathédrale de la Sainte-Trinité, mais les demandes de célébration de services religieux et de restitution des objets liturgiques furent rejetées. Après 1927, aucune tentative de rétablir la vie de prière ne fut entreprise.

Le 22 février 1995, le Saint-Synode décida de ressusciter le monastère de la Sainte-Trinité. Le 2 septembre 1995, les évêques Vassili Rodzianko et Dimitri visitèrent la cathédrale, exprimant leur confiance en sa renaissance. Le 7 mars 1996, un rapport sur l'état de la cathédrale fut établi, indiquant la nécessité de travaux de réparation importants.

Le 10 décembre 1996, la cathédrale fut transférée au diocèse de Tobolsk-Tyumen. Le premier service religieux dans la chapelle de l'Assomption eut lieu le 28 août 2001, après quoi ils devinrent réguliers.

Le 16 novembre 2001, le gouverneur de la région de Tyumen, S.S. Sobyanin, visita la cathédrale et promit son aide pour sa restauration. En 2002, les travaux commencèrent dans la chapelle principale, et le 29 novembre 2002, le montage de l'iconostase débuta. Le 17 mars 2003, les travaux de son installation continuèrent.

Le 15 juin 2003, l'archevêque Dimitri célébra le premier service religieux en 80 ans dans la cathédrale. Le 28 novembre 2005, de nouveaux dômes dorés furent installés.

En février 2014, la cathédrale fut fermée pour une restauration complète.