Der Tempel wurde 1684 an der Stelle der abgebrannten hölzernen Dreifaltigkeitskirche errichtet. Die Mittel für seinen Bau wurden von der gesamten Gemeinde gesammelt, aber sie reichten nicht aus, um den Bau abzuschließen. Die Bürger beschlossen, sich an die Herrscher mit der Bitte um Hilfe zu wenden. 1688 wurden auf Befehl von Iwan und Peter Alexejewitsch sowie der Zarin Sofia Alexejewna 200 Rubel aus der Staatskasse bereitgestellt, die aus den Zöllen und Schanksteuereinnahmen von Usolje stammten. Diese beträchtliche Summe ermöglichte den Abschluss des Baus und die Verschönerung des Tempels. 1697 wurde die Dreifaltigkeitskathedrale geweiht.

Zur Erinnerung an die königliche Spende wurde in die Südwand des Tempels ein Kachel mit dem Bild des zweiköpfigen Adlers eingesetzt, und an der Westfassade wurde später eine kaiserliche Krone aus Ziegeln gelegt. Heute ist nur die Krone erhalten geblieben, da die Kachel 1918 als Symbol der königlichen Macht zerstört wurde.

Die Architektur des Tempels ist fast vollständig erhalten geblieben, mit Ausnahme eines der Vorhäuser. Früher gab es drei, aber jetzt ist an der Stelle des südlichen Vorhauses nur noch eine Tür geblieben. Alle anderen Elemente, wie kunstvoll aus Ziegeln gefertigte Details der Holzbauwerke, Käferornamente, hängende Gewichte und glasierte Kacheln, sind bis heute zu sehen. Die innere Ausstattung des Tempels, einschließlich der Ikonostasen und Wandmalereien, ist nicht erhalten geblieben; es sind nur Fotografien aus dem Jahr 1911 übrig.

Mit dem Kommen der sowjetischen Macht wurde der Tempel geschlossen, aber er wurde vor der Zerstörung gerettet, da das Gebäude an ein Museum übergeben wurde. 1929 gründete die Gesellschaft der Heimatforscher in Solikamsk ein Museum, und nach einer Anfrage beim Rajonrat erhielt es die Dreifaltigkeitskathedrale zur Unterbringung von Ausstellungen. Ein Jahr später zeigte das Museum bereits die Geschichte der Stadt zu ihrem 500-jährigen Jubiläum.

Während des Großen Vaterländischen Krieges wurden in der Dreifaltigkeitskathedrale evakuierte Werte der Museen von Moskau, Leningrad und den südlichen Städten Russlands aufbewahrt. Sie waren in Kisten versteckt, die sorgfältig verschlossen und nummeriert waren. Niemand in Solikamsk wusste, dass sich in der Nähe die Schätze des Russischen Museums, Aquarelle von Lermontow und Theaterwerte des Bachrushin-Museums befanden. All dies verbargen die Wände der Kathedrale.