Le temple de la Trinité, situé à l'emplacement de la cathédrale actuelle, est mentionné pour la première fois au début du XVIIe siècle. Cet endroit, ancien Kremlin, est central dans la vie de la ville. La cathédrale moderne se dresse ici depuis environ 200 ans, mais l'histoire des temples en bois et en pierre de la Trinité qui se trouvaient à cet endroit remonte tout autant.

En 1610, à Kalouga, le faux Dmitri II a été tué par l'un de ses proches. C'est à l'occasion de ses funérailles que le temple en bois de la Trinité est mentionné pour la première fois. Huit ans plus tard, les cosaques sous le commandement de Sagaydachny ont capturé et pillé Kalouga, et le temple a brûlé dans l'incendie. Il a été rapidement restauré.

En 1626, le temple est décrit comme étant en bois, avec deux bulbes et une chapelle de Saint Jean l'Évangéliste. En 1687, à l'emplacement de l'ancien temple en bois, un temple en pierre a été construit grâce aux fonds de la veuve du boyard S. T. Khitrovo, Anna Petrovna, en mémoire du tsar Fiodor Alexeïevitch. Ce temple a tenu pendant cent ans avant de se détériorer. En 1786, la construction d'une nouvelle cathédrale a commencé, et cela a duré 33 ans. Catherine II a alloué la première somme pour la construction, et la cathédrale a été consacrée sous son petit-fils Alexandre I, après la guerre patriotique. L'ancienne cathédrale a été démontée, et ses matériaux ont été utilisés pour la nouvelle, mais les services ont continué jusqu'en 1799.

Le projet de la cathédrale a été élaboré par l'architecte provincial Ivan Denisovitch Yasnigin, élève de Kazakov. L'architecture de la cathédrale est simple et concise, mais la structure est unique grâce au premier grand dôme sans support en Russie. Le diamètre extérieur du dôme est de 20 mètres, et le diamètre intérieur, presque 17 mètres. Pendant ces années, la cathédrale de Kazan à Saint-Pétersbourg était construite avec un dôme de 15 mètres de diamètre. Les deux cathédrales ont été achevées en 1811, mais dans la cathédrale de Kalouga, les travaux de finition ont été interrompus en raison de la guerre de 1812. La consécration a eu lieu le 10 avril 1819. La hauteur intérieure de la cathédrale est de 36 mètres, et le clocher, 70 mètres. C'était la plus grande cathédrale de la région.

Au XIXe siècle, le temple de la Trinité était pour les Kalougiens ce que le temple du Christ Sauveur était pour les Moscovites, et il était un monument de la victoire de 1812. Il abritait les bannières de la milice de Kalouga et la bannière du régiment d'infanterie d'Azov. À l'intérieur, un iconostase de 8 mètres de l'architecte M.F. Kazakov a été installé, le seul connu en Russie.

À l'époque soviétique, le temple a été saccagé, et l'iconostase a été perdu. En 1924, la cathédrale a été fermée et réaménagée en Maison de la défense. Des cercles d'Osaviakhim, une école de PVC, un cinéma et même un zoo y étaient présents. À l'automne 1941, lors du retrait de l'Armée rouge, il a été décidé de faire exploser la cathédrale, mais le directeur de l'école de PVC a remplacé l'explosion par un incendie. Le temple a brûlé à l'intérieur, mais a tenu bon. Depuis les années 1960, une école de sport y était installée. Le 23 août 1991, la cathédrale de la Trinité a été restituée à l'Église orthodoxe russe.

En 2000, des cloches ont été installées dans le clocher, la principale pesant 5100 kg.