L'église de la Sainte Trinité à Osa a été conçue à la fin du XIXe siècle, et son projet a été élaboré par l'architecte Alexandre Bonaventurovitch Tourtchevitch. La construction de la cathédrale a commencé en 1902, lorsque le développement industriel rapide a permis à la communauté locale d'investir des fonds considérables dans ce projet. L'emplacement de la cathédrale a été choisi sur la "Place Rouge". La cathédrale de la Sainte Trinité est réalisée dans le style de l'Art nouveau russe du début du XXe siècle, mais reflète également des éléments de l'architecture ancienne russe du XVIIe siècle. Cette combinaison de styles confère à la cathédrale une beauté unique. L'architecte Tourtchevitch est décédé en 1909, sans voir l'achèvement de la construction.

En 1916, la cathédrale était presque terminée, à l'exception du clocher. Elle occupe une place centrale dans l'ensemble de l'ancienne Osa, et ses dômes sont visibles à des dizaines de kilomètres. Selon les récits des anciens, le clocher avait une cloche avec de petites cloches, la plus grande ayant un diamètre d'un mètre cinquante. Les croix en cuivre brillaient au soleil, et les dômes étaient bleus. Pendant les services, l'église était pleine de fidèles. Les dimensions de la cathédrale sont impressionnantes : longueur 53,35 m, largeur 46,3 m, hauteur 44,18 m, diamètre du dôme 11,4 m, et la superficie du bâtiment est de 1254,6 m². Les murs sont ornés de motifs en pierre.

La cathédrale est construite en briques rouges provenant des usines des princes Golitsyn et Toupitsyn. Le chauffage était assuré par des poêles à calorifère en provenance de Belgique. La famille Osipov a contribué de manière significative à la construction. Les cadres ont été fabriqués par le maître Svetnikov, et les articles métalliques par I. M. Peretyagin. Les icônes pour le retable ont été peintes par l'artiste moscovite Shvarev, et le retable lui-même a été fabriqué par le maître A. S. Ryakin. La consécration de la cathédrale a eu lieu le 16 juin 1916. Les premiers prêtres, Dmitri Ovetchkin et Piotr Alexeïev, ont été fusillés à l'époque soviétique.

Les services dans la cathédrale ont eu lieu jusqu'en 1927, après quoi elle a été fermée par décision du comité exécutif régional de l'Oural en 1930. Le bâtiment a été utilisé à diverses fins : musée local, ateliers, gare routière et salle de sport. Les incendies et l'absence de surveillance ont conduit à la destruction du clocher. De 1979 à 1984, une restauration partielle a été effectuée, mais ensuite la cathédrale est restée à l'abandon et s'est détériorée.

En 2000, des discussions ont commencé sur la restauration de la cathédrale. En 2003, l'évêque de Perm et de Solikamsk Irinarkh a béni les travaux de restauration. Des réparations de toiture, l'installation de croix, la fabrication du retable et la mise en place des communications ont été réalisées. La consécration de la cathédrale a eu lieu le 30 mai 2004, et elle a de nouveau commencé à accueillir des fidèles. En 2006-2007, les travaux ont continué : renforcement des fondations, vitrage des fenêtres, remplacement des dômes. La restauration de l'église se poursuit encore aujourd'hui.