En 1737, l'évêque gréco-catholique Inocenţiu Micu-Klein a transféré le siège episcopal de Făgăraş à Blaj, où il a posé, en 1741, la première pierre de la Cathédrale de la « Sainte-Trinité ». Les deux architectes viennois, d'origine italienne, Anton Erhard Martinelli et Johann Baptist Martinelli, se sont inspirirés de l'Église des Piaristes de la Sainte-Trinité de Cluj, la première église catholique construite en Transylvanie après la Réforme religieuse protestante.
Le 30 mars 1738, l'évêque Inocenţiu Micu-Klein avait passé un contract avec Johann Martinelli, l'architecte de la Cour impériale viennoise, pour la réalisation de la cathédrale, des écoles et du Monastère de la « Sainte-Trinité », contre un montant de 61.000 de florins autrichiens. Les travaux de la construction de la cathédrale finirent partiellement en 1747.
L'iconostase a été réalisée dans la période suivante par le maître ébéniste Aldea, de Târgu-Mureş.
La cathédrale a été consacrée en 1756, par le successeur de son fondateur, l'évêque Petru Pavel Aron.
Entre 1835 et 1842, on a fait des travaux d'extention à la cathédrale: en 1838, on a ajouté à la cathédrale les deux tours monumentales.
Le 1er décembre 1948, par le Décret 358, les autorités communistes roumaines envisageaient fixer définitivement le sort de l’Église gréco-catholique roumaine: tous ses biens étaient confisqués et son existence légale cessait immédiatement. Tous ses évêques, ainsi que les prêtres qui avaient refusé le passage à l'orthodoxie furent emprisonnés. C'est ainsi que la Cathédrale de la Sainte-Trinté de Blaj a été donnée, par État communiste roumain, à l'usage de l'Église orthodoxe roumaine.
À la fin du décembre 1989, à la suite de la débâcle du régime communiste en Roumanie, l'activité de l'Église grecque-catholique roumaine est redevenue légale. C'est à peine en 1991, que la cathédrale de Blaj est entrée, de nouveau, à l'usage de l'Église grecque-catholique roumaine.
Le 2 août 1997, le cercueil contenant les dépouilles du fondateur de la Cathédrale de la « Sainte-Trinité », l'évêque Inocenţiu Micu-Klein, a été apporté en Roumanie et déposé dans l'autel. Le 19 octobre 1997, il a été mis, sur une place d'honneur, dans une tombe située dans la Cathédrale de la « Sainte-Trinité » de Blaj, après des offices religieux.
Actuellement, la Cathédrale de la Sainte-Trinité sert de cathédrale archiépiscopale majeure de l'Église roumaine unie à Rome (gréco-catholique).
À côté de l'Académie Théologique, la Cathédrale de la Sainte-Trinité domine la place centrale de Blaj.
