Am 28. Dezember 1999 übernahm Trefilow zusätzlich das Traineramt der russischen Frauen-Handballnationalmannschaft, die 2001, 2005, 2007 und 2009 die Weltmeisterschaft gewann. Weitere Erfolge waren die Vizeeuropameisterschaft 2006 und 2018 sowie die olympische Silbermedaille 2008. Im September 2012 wurde er von seinen Aufgaben entbunden. Im September 2013 gab der russische Handballverband bekannt, dass Trefilow erneut das Traineramt der Frauen-Nationalmannschaft übernimmt. 2016 wurde Russland unter seiner Leitung Olympiasieger.