Der Tempel der Heiligen Dreifaltigkeit in Osa wurde Ende des 19. Jahrhunderts geplant, und das Projekt wurde von dem Architekten Alexander Bonaventurovich Turchevich entwickelt. 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 den Bau wurde auf dem sogenannten "Roten Platz" gewählt. Die Heilig-Troitzky-Kathedrale wurde im Stil des russischen Jugendstils zu Beginn des 20. Jahrhunderts errichtet und spiegelt auch die architektonischen Formen der alt-russischen Kirchen des 17. Jahrhunderts wider. Die Mischung der Stile verleiht der Kathedrale eine einzigartige Schönheit.

Der Architekt Turchevich starb 1909 im Alter von 54 Jahren, ohne den Abschluss des Bauprojekts abzuwarten. Die Weihe der neuen Steinkathedrale im Namen der Heiligen Dreifaltigkeit fand am 16. Juni 1916 statt, 14 Jahre nach Beginn des Baues. Die ersten Priester der Kirche, Dmitry Kipriyanovich Ovechkin und Peter Alexeyevich Alexeev, wurden in den Jahren der Sowjetmacht erschossen. Die Gottesdienste in der Kathedrale fanden bis 1927 statt, danach teilte sie das Schicksal vieler Kultstätten des Landes.

Die Kathedrale wurde auf Beschluss des Uraler Oblastkomitees am 27. September 1930 geschlossen, und ihr Gebäude begann, von einer Behörde zur anderen zu wechseln. Es wurde als Heimatmuseum genutzt und dann für wirtschaftliche Zwecke: Hier wurden Maschinen- und Traktorenwerkstätten untergebracht, und im Keller wurde Eis zur Lagerung von Milch gelagert. Ab 1956 wurde ein Teil des Gebäudes vom Osinsky Zoovet-Technikum genutzt, wo ein Sportraum für Volleyball und Gewichtheben eingerichtet wurde. Im südlichen Teil der Kathedrale befand sich in den 60er und 70er Jahren der lokale Busbahnhof.

Brände in den Jahren 1967, 1968 und 1971 sowie das Fehlen einer Aufsicht über den Zustand des architektonischen Denkmals führten zur Zerstörung des Glockenturms. Von 1979 bis 1984 wurde das Gebäude der Kathedrale teilweise restauriert, aber die folgenden 16 Jahre blieb es ungenutzt und zerfiel.

Im Jahr 2000 initiierte der Leiter der Verwaltung des Osinsky Bezirks I. V. Kamskikh eine Untersuchung der Frage nach Restaurierungsarbeiten an der Kathedrale. Zu Beginn des Jahres 2001 wurde diese Frage auf der Landversammlung diskutiert. Am 30. Mai 2004 fand die Weihe der Kathedrale und die Feier des Tages der Heiligen Dreifaltigkeit statt, was ihr zweites Leben markierte. Es begannen die Gottesdienste zur Taufe, Trauung und anderen kirchlichen Sakramenten.

In den Jahren 2006-2007 wurden die Restaurierungsarbeiten fortgesetzt: Es wurde ein Fundament um das Gebäude herum erstellt, der Zustand der Fundamente untersucht und die Fenster der Kathedrale verglast. Am 25. August 2006 wurde die alte Kuppel abgebaut, und am 26. August wurde eine neue Kuppel und ein Kreuz von 4,2 Metern Höhe installiert. Im Sommer 2007 wurden vier mittlere Kuppeln mit Kreuzen auf Spenden der LLC "Lukoil-Perm" hergestellt und installiert. Die Restaurierungsarbeiten an der Kirche dauern bis heute an.