Katedra Świętej Trójcy została założona w 1795 roku dla greckiej społeczności Odessy. Początkowo był drewniany, w 1804 r. położono kościół murowany, konsekrowany wiosną 1808 r. Na terenie katedry pochowano greckich biskupów, w 1907 roku pochowano tu wybitnego członka społeczności greckiej, honorowego obywatela Odessy, Grigorija Marazli. Po rewolucji 1917 roku świątynię zamieniono na salę gimnastyczną, groby splądrowano. W 1956 r. przy świątyni powołano metochion Patriarchy Aleksandryjskiego w Rosyjskiej Cerkwi Prawosławnej, w 1999 r. przeniesiono go do Moskwy. Cerkiewowi Świętej Trójcy przywrócono status świątyni diecezji odeskiej Ukraińskiego Kościoła Prawosławnego, po remoncie postawiono nową kopułę i odrestaurowano dzwonnicę. W świątyni przechowywany jest czczony wizerunek Matki Bożej „Niespodziewana Radość”, otwarte są szkółki niedzielne dla dorosłych i dzieci oraz biblioteka.