El templo de la Santísima Trinidad en Osa fue concebido a finales del siglo XIX, y el proyecto fue desarrollado por el arquitecto Alexander Bonaventurovich Turchievich. La construcción de la catedral comenzó en 1902, cuando el rápido desarrollo de la industria permitió a la comunidad local invertir significativos recursos en este proyecto. El lugar para la construcción fue elegido en la llamada "Plaza Roja". La catedral de la Santísima Trinidad fue erigida en el estilo del modernismo ruso a principios del siglo XX, reflejando también las formas arquitectónicas de las antiguas iglesias rusas de mediados del siglo XVII. La mezcla de estilos otorga a la catedral una belleza única.

El arquitecto Turchievich falleció en 1909 a la edad de 54 años, sin ver la finalización de la construcción. La consagración de la nueva catedral de piedra en nombre de la Santísima Trinidad tuvo lugar el 16 de junio de 1916, 14 años después del inicio de la construcción. Los primeros sacerdotes del templo, Dmitry Kipriyanovich Ovechkin y Peter Alexeyevich Alexeev, fueron fusilados durante el régimen soviético. Los servicios en la catedral se llevaron a cabo hasta 1927, después de lo cual compartió el destino de muchas edificaciones religiosas del país.

La catedral fue cerrada por decisión del Comité Ejecutivo del Óblast de los Urales el 27 de septiembre de 1930, y su edificio comenzó a pasar de una entidad a otra. Se utilizó como museo local, y luego para necesidades económicas: aquí se ubicaron talleres de maquinaria y tractores, y en el sótano se almacenaba hielo para conservar la leche. Desde 1956, parte del edificio fue utilizada por el Instituto de Veterinaria de Osa, donde se instaló un gimnasio para practicar voleibol y levantamiento de pesas. En la parte sur de la catedral, en los años 60 y 70, se encontraba la estación de autobuses local.

Los incendios en 1967, 1968 y 1971, así como la falta de supervisión sobre el estado del monumento arquitectónico, llevaron a la destrucción del campanario. Desde 1979 hasta 1984, el edificio de la catedral fue sometido a una restauración parcial, pero los siguientes 16 años permaneció desatendido y en ruinas.

En 2000, el jefe de la administración del distrito de Osa, I. V. Kamskikh, inició el estudio de la cuestión sobre los trabajos de restauración en la catedral. A principios de 2001, esta cuestión fue discutida en la Asamblea de la Tierra. El 30 de mayo de 2004, se llevó a cabo la consagración de la catedral y la celebración del Día de la Santísima Trinidad, lo que marcó su segunda vida. Comenzaron los servicios de bautismo, matrimonio y otros sacramentos de la iglesia.

En 2006-2007, continuaron los trabajos de restauración: se realizó un drenaje alrededor del edificio, se llevaron a cabo investigaciones sobre el estado de los cimientos, y se instaló el acristalamiento de las ventanas de la catedral. El 25 de agosto de 2006 se desmontó la antigua cúpula, y el 26 de agosto se instaló una nueva cúpula y una cruz de 4,2 metros de altura. En el verano de 2007, se fabricaron e instalaron cuatro cúpulas medianas con cruces gracias a donaciones de LLC "Lukoil-Perm". Los trabajos de restauración del templo continúan hasta hoy.