История Свято-Троицкой церкви изначально была связана с драматическими отношениями между старообрядцами и властями. Как отмечает Б.М. Мещеряков в «Историческом очерке Кыштыма», Свято-Троицкий приход был официально признан единоверческим, то есть в него вошли верующие, которые ранее отошли от православия, но затем решили вернуться в лоно Православной Церкви на правах единоверия. Такая церковь защищала бывших старообрядцев от преследований, возобновившихся при Николае I, хотя не все староверы присоединились к ней.

Каменный храм с тремя престолами был построен в 1847-1849 годах по инициативе заводчиков Зотовых, которые сами были старообрядцами, но понимали политическое значение нового храма. Имя архитектора неизвестно; вероятно, Зотовы использовали типовой проект, так как в то время по епархиям рассылались рекомендации по строительству храмов с приложением чертежей.

Единоверческий статус Свято-Троицкой церкви не привлекал многих прихожан. В 1911 году епископ Екатеринбургский и Ирбитский Митрофан, посетив церковь, писал, что прихожане не проявляют особой любви к посещению храма, а служение в таких приходах для духовенства является подвигом. В приходе царили разногласия из-за различных обычаев.

В советское время церковь, как и многие другие культовые сооружения, была закрыта в начале 1930-х годов, а здание передано механическому заводу. В 1934 году здесь организовали клуб имени Кирова, где проводились заседания и показывали кино. Позже в клубе разместился заводской музей. От церковной утвари ничего не сохранилось, кроме чугунной плиты с датой постройки храма, которая теперь хранится в музее Кыштымского машзавода. Существует легенда, что в 1935 году, когда снимали колокола, один из них скатился в воду и до сих пор лежит на дне заводского пруда. Затем были демонтированы купольные барабаны, и церковь изменила свой облик.

Во время Великой Отечественной войны «храм-клуб» стал местом, откуда кыштымцы отправлялись на фронт. Здесь проходили проводы с солдатской гармонию, после чего добровольцы шли на вокзал. После войны клуб продолжал быть центром культурной жизни, здесь проходили танцы и работали творческие кружки. Известная актриса Инга Оболдина вспоминает, что вход в клуб был через бывший алтарь. Теперь, восстанавливая храм, люди как бы просят прощения за это.