Der Tempel der Heiligen Dreifaltigkeit in Osa wurde Ende des 19. Jahrhunderts geplant, und sein Projekt wurde von dem Architekten Alexander Bonaventurovich Turchevich entworfen. Der Bau der Kathedrale begann 1902, als die rasante Entwicklung der Industrie der lokalen Gemeinschaft ermöglichte, erhebliche Mittel in dieses Projekt zu investieren. Der Standort für die Kathedrale wurde auf dem "Roten Platz" gewählt. Die Heilige Dreifaltigkeitskathedrale ist im Stil des russischen Jugendstils zu Beginn des 20. Jahrhunderts gestaltet, spiegelt aber auch Elemente der alt-russischen Architektur des 17. Jahrhunderts wider. Diese Kombination von Stilen verleiht der Kathedrale eine einzigartige Schönheit. Der Architekt Turchevich starb 1909, bevor der Bau abgeschlossen werden konnte.

Bis 1916 war die Kathedrale fast fertig, mit Ausnahme des Glockenturms. Sie nimmt einen zentralen Platz im Ensemble des alten Osa ein, und ihre Kuppeln sind über Dutzende von Kilometern sichtbar. Nach den Erzählungen der Einheimischen gab es im Glockenturm eine Glockenstube mit kleinen Glocken, von denen die größte einen Durchmesser von anderthalb Metern hatte. Die Kreuze aus Kupfer glänzten in der Sonne, und die Kuppeln waren blau. Während der Gottesdienste war der Tempel voller Gläubiger. Die Maße der Kathedrale sind beeindruckend: Länge 53,35 m, Breite 46,3 m, Höhe 44,18 m, Durchmesser der Kuppel 11,4 m, und die Fläche des Gebäudes beträgt 1254,6 qm. Die Wände sind mit steinernen Mustern verziert.

Die Kathedrale wurde aus rotem Ziegelstein gebaut, der von den Fabriken der Fürsten Golizyn und Tupitsin geliefert wurde. Die Heizung wurde durch Heizöfen aus Belgien gewährleistet. Die Familie Osipov leistete einen erheblichen Beitrag zum Bau. Die Rahmen wurden von Meister Svetnikov gefertigt, und die Metallwaren von I. M. Peretyagin. Die Ikonen für den Ikonostase malte der Moskauer Künstler Shvarev, und der Ikonostase selbst wurde von Meister A. S. Ryakin hergestellt. Die Weihe der Kathedrale fand am 16. Juni 1916 statt. Die ersten Priester, Dmitry Ovechkin und Peter Alexeyev, wurden in der Sowjetzeit erschossen.

Gottesdienste in der Kathedrale fanden bis 1927 statt, danach wurde sie 1930 auf Beschluss des Uraler Oblastkomitees geschlossen. Das Gebäude wurde für verschiedene Zwecke genutzt: Heimatmuseum, Werkstätten, Busbahnhof und Sporthalle. Brände und mangelnde Aufsicht führten zur Zerstörung des Glockenturms. Von 1979 bis 1984 fand eine teilweise Restaurierung statt, aber danach stand die Kathedrale ungenutzt und verfiel.

Im Jahr 2000 begann die Diskussion über die Wiederherstellung der Kathedrale. 2003 segnete der Bischof von Perm und Solikamsk, Irinarch, die Wiederherstellungsarbeiten. Es wurden Dachreparaturen, die Installation von Kreuzen, die Herstellung des Ikonostase und die Anbringung von Versorgungsleitungen durchgeführt. Die Weihe der Kathedrale fand am 30. Mai 2004 statt, und sie begann erneut, Gläubige zu empfangen. In den Jahren 2006-2007 wurden die Arbeiten fortgesetzt: Fundamentverstärkung, Verglasung der Fenster, Austausch der Kuppeln. Die Wiederherstellung des Tempels dauert bis heute an.