Первая деревянная церковь во имя Живоначальной Троицы была заложена 12 июня 1754 года с благословения митрополита Тобольского и Сибирского Сильвестра и освящена 20 августа 1755 года. Построенная на средства прихожан, она была разобрана в 1825 году из-за ветхости, а на месте престола установили мраморный памятник.

Нынешнее каменное здание храма начали строить 2 июля 1811 года по благословению Преосвященного Иустина и освятили 14 июля 1816 года. Храм украшали сводчатые купола на шестигранных барабанах с узкими окнами, колоннада с антаблементами и пилястрами, а также шлемообразные маковки с крестами. Под самой высокой маковкой находилась трёхъярусная звонница. Фасады храма были богато декорированы архитектурными элементами, а интерьеры восхищали мозаикой и росписями.

С увеличением населения заводской слободки и окрестных поселений, в 1872 году прихожане решили расширить храм, добавив приделы, и согласились жертвовать на это по 2 копейки с рубля. В 1876 году, с благословения архиепископа Антония, началось строительство приделов: правого в честь Преображения Господня и левого в честь Воздвижения Креста. Освящение состоялось 5 и 6 сентября 1887 года Преосвященным Нафанаилом. В 1892 году началась реконструкция главного храма, завершившаяся в 1902 году заменой иконостаса.

К 1915 году в Свято-Троицкой церкви служили два священника, дьякон и два псаломщика. Церковь имела 25 десятин земли и три дома, один из которых сохранился до наших дней. Приход насчитывал 4 270 человек, а доход составлял 2 278 рублей в год. К храму относились две часовни.

В 1930-х годах началась кампания против религии, и в 1932 году здание церкви было переделано под клуб. В нём появились зрительный зал, кинобудка, читальня и другие помещения. Были изменены перекрытия, разобрана звонница, сняты колокола и кресты, а на барабанах установили радиомачты.

С 1949 года клуб имени И. В. Сталина претерпел множество изменений. В 1956 и 1960 годах он был перепланирован под детский сектор Дворца культуры, а с 1961 года стал городским Дворцом пионеров и школьников. В 1973 году клуб был преобразован в музей.

В 1991 году часть храма передали верующим, а в 1996 году всё здание вернулось православному приходу. 25 сентября 1991 года южный придел освятил архиепископ Мелхиседек в честь Пресвятой Троицы, а 13 июля 2001 года архиепископ Викентий освятил центральный придел в честь Воздвижения Креста Господня.