Le temple de la Sainte-Trinité à Ossa a été conçu à la fin du XIXe siècle, et le 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 pour la construction a été choisi sur la soi-disant « Place Rouge ». La cathédrale de la Sainte-Trinité a été érigée dans le style de l'Art nouveau russe du début du XXe siècle, tout en reflétant également les formes architecturales des anciennes églises russes du milieu du XVIIe siècle. Le mélange des styles confère à la cathédrale une beauté unique.

L'architecte Tourtchevitch est décédé en 1909 à l'âge de 54 ans, sans voir l'achèvement de la construction. La consécration de la nouvelle cathédrale en pierre au nom de la Sainte-Trinité a eu lieu le 16 juin 1916, quatorze ans après le début des travaux. Les premiers prêtres du temple, Dmitri Kiprianovitch Ovetchkin et Piotr Alexeïevitch Alexeev, ont été fusillés sous le régime soviétique. Les services dans la cathédrale ont eu lieu jusqu'en 1927, après quoi elle a partagé le sort de nombreux édifices cultuels du pays.

La cathédrale a été fermée par décision du comité exécutif régional de l'Oural le 27 septembre 1930, et son bâtiment a commencé à passer d'un ministère à un autre. Il a été utilisé comme musée local, puis pour des besoins économiques : des ateliers de machines et de tracteurs y ont été installés, et de la glace a été apportée au sous-sol pour conserver le lait. Depuis 1956, une partie du bâtiment a été exploitée par l'école vétérinaire d'Ossa, où une salle de sport pour le volley-ball et l'haltérophilie a été aménagée. Dans la partie sud de la cathédrale, dans les années 60-70, se trouvait la gare routière locale.

Des incendies en 1967, 1968 et 1971, ainsi que l'absence de surveillance de l'état du monument architectural, ont conduit à la destruction du clocher. De 1979 à 1984, le bâtiment de la cathédrale a subi une restauration partielle, mais les 16 années suivantes, il est resté inutilisé et s'est détérioré.

En 2000, le chef de l'administration du district d'Ossa, I. V. Kamskikh, a initié l'étude de la question des travaux de restauration de la cathédrale. Au début de 2001, cette question a été discutée lors de l'Assemblée zemstovo. Le 30 mai 2004, la consécration de la cathédrale et la célébration du Jour de la Sainte-Trinité ont eu lieu, marquant ainsi sa seconde vie. Les services de baptême, de mariage et d'autres sacrements religieux ont commencé.

En 2006-2007, les travaux de restauration se sont poursuivis : un socle a été réalisé autour du bâtiment, des études sur l'état des fondations ont été menées, et le vitrage des fenêtres de la cathédrale a été effectué. Le 25 août 2006, l'ancien dôme a été démonté, et le 26 août, un nouveau dôme et une croix de 4,2 mètres de haut ont été installés. À l'été 2007, quatre dômes moyens avec des croix ont été fabriqués et installés grâce aux dons de la société « Lukoil-Perm ». Les travaux de restauration du temple se poursuivent encore aujourd'hui.