Šventosios Trejybės katedra buvo įkurta 1795 m. Odesos graikų bendruomenei. Iš pradžių ji buvo medinė, 1804 metais padėta mūrinė bažnyčia, pašventinta 1808 metų pavasarį. Katedros teritorijoje buvo palaidoti graikų vyskupai, 1907 metais čia palaidotas žymus graikų bendruomenės narys, Odesos garbės pilietis Grigorijus Marazlis. Po 1917 metų revoliucijos šventykla buvo paversta sporto sale, kapai buvo apiplėšti. 1956 metais prie šventyklos buvo įkurtas Aleksandrijos patriarcho metochionas Rusijos stačiatikių bažnyčioje, 1999 metais perkeltas į Maskvą. Trejybės graikų bažnyčiai grąžintas Ukrainos stačiatikių bažnyčios Odesos vyskupijos šventyklos statusas, po remonto įrengtas naujas kupolas ir restauruota varpinė. Šventykloje saugomas garbinamas Dievo Motinos paveikslas „Netikėtas džiaugsmas“, veikia sekmadieninės mokyklos suaugusiems ir vaikams, biblioteka.