Селение Билимбаевского завода расположено к западу от Урала, в 54 верстах от Екатеринбурга и в 26 верстах от станции Тарасково на Пермь-Тюменской железной дороге. Билимбаевский чугуноплавильный завод был основан сыновьями Григория Дмитриевича Строганова, баронами Александром, Николаем и Сергеем, по указу Государственной Берг-коллегии от 15 июля 1730 года. Завод был достроен и начал работу в 1754 году. Рабочие для завода были набраны из вотчин Строгановых в Соликамском, Оханском и Пермском уездах.

Билимбаевский приход был образован через четыре года после основания завода. В его состав входят сам завод и деревни: Битимка, Макарова, Извязная, Коновалова, Ялань, Мазина, Черемша и Починок. Все жители прихода православные, и в 1900 году их насчитывалось 8704 человека, из которых 5026 проживали в самом Билимбаевском заводе. В деревнях Макарова и Коновалова, помимо бывших заводских рабочих, жили и бывшие государственные крестьяне, переселенные сюда из Кунгурского уезда для перевозки через реку Чусовую. Жители прихода зарабатывают на жизнь работой на заводе, доставкой руды и угля, а летом многие отправляются на приисковые работы.

Первая церковь в заводе, деревянная, была заложена в 1738 году и освящена в 1742 году. В 1754 году был устроен придел в честь Казанской иконы Божией Матери, но в 1774 году церковь сгорела, уцелела только колокольня. В 1775 году была заложена новая деревянная церковь, освященная в 1780 году, но она также сгорела в 1796 году. Взамен в 1801-1803 годах построили деревянную церковь на кладбище, которая прослужила до 1843 года, когда была разобрана из-за ветхости. На её месте построили каменную часовню.

Текущий храм в Билимбае, каменный и трехпрестольный, был заложен в 1820 году. Однако из-за спешки в 1823 году обрушился купол, и строительство возобновилось только в 1835 году. Южный придел был освящен в 1837 году, главный храм, в 1839 году, а северный придел, в 1855 году. Иконостасы в приделах различаются, а среди достопримечательностей храма, две иконы, написанные учеником Брюллова, купленные С.Г. Строгановым.

До 1873 года колокола висели на деревянной звоннице, затем была построена каменная колокольня. Вокруг церкви в 1885 году была сооружена каменная ограда. В приходе есть пять часовен: одна каменная и четыре деревянные. При церкви имеются дома для священников, а в деревне Ялань с 1890 года работает школа грамоты.

Перед Великой Отечественной войной храм был закрыт. В советское время здание подверглось разрушениям и было перестроено. Во время войны в нем размещался цех авиационного завода. В 1960-х годах храм превратили в дом культуры. В 1990-х годах здание вернули верующим, но оно было в полуразрушенном состоянии. Отопление отсутствует, стены покрыты трещинами, а кровля протекает. Зимой службы проходят в нижнем приделе с обогревателем, летом, в верхнем. Несмотря на все трудности, здание Свято-Троицкого храма является памятником архитектуры.