La cathédrale de la Sainte Trinité a été solennellement posée le 30 août (11 septembre) 1860 dans le cadre de la construction des édifices russes sur des terres acquises par le Comité de Palestine sur la place Meïdam à Jérusalem. La pose de la pierre a été effectuée par le premier épitrope du patriarche de Jérusalem, le métropolite Melétius de Pétra, et le chef de la Mission, l'évêque Cyril (Naumov), en présence du clergé russe et grec.

Le projet a été conçu par l'architecte russe Martin Eppinger. Initialement, il était prévu de consacrer l'église en l'honneur de saint Alexandre Nevski, le patron d'Alexandre II, mais il a été décidé plus tard de la dédier à la Sainte Trinité.

La construction de la cathédrale a été achevée en 1863, mais la consécration n'a eu lieu que le 27 octobre (8 novembre) 1872. Le service a été dirigé par le patriarche de Jérusalem Cyril II, en présence de quatre hiérarques de l'Église orthodoxe de Jérusalem et du chef de la Mission, l'archimandrite Antonin (Kapustin). En décembre de la même année, une cloche a été hissée dans le clocher. Les services dans la cathédrale étaient célébrés quotidiennement.

Des réparations ont été effectuées dans la cathédrale en 1895 et 1897. Le toit et le revêtement ont été rénovés, et la peinture à la colle des murs et des colonnes a été grattée, après quoi l'intérieur a été repeint trois fois en blanc. Ensuite, la cathédrale a été ornée d'images sacrées, et une sortie de secours couverte a été faite depuis l'autel.

Pendant le mandat britannique, la cathédrale de la Sainte Trinité est restée en activité et était sous la juridiction de l'Église orthodoxe russe à l'étranger. Pendant la première guerre arabo-israélienne, l'église a subi de graves dommages. Depuis 1948, elle est sous la juridiction de l'Église orthodoxe russe.

La cathédrale est un temple à cinq dômes en pierre blanche dans le style néo-byzantin. Le chœur sculpté, fabriqué en 1869 à Saint-Pétersbourg par N. A. Leontiev, a reçu une médaille d'argent à l'Exposition manufacturière de toute Russie de 1870. Les portes royales, dorées et offertes par le grand-duc Constantin Nikolaïevitch, président du Comité de Palestine, ornent la cathédrale.