Красноуфимская крепость была основана в 1735 году, и в ней построили деревянную двухпрестольную церковь, освященную в 1736 году в честь Святой Живоначальной Троицы и Святителя Николая. В 1774 году крепость без боя сдалась пугачевцам, поэтому избежала разграбления. В июне того же года в церкви отслужили молебен о здравии атамана Емельяна Пугачева. Со временем крепость стала городом, а церковь ветшала.

В 1804 году был построен и освящен новый каменный собор во имя Святой Троицы, а в 1837 году освятили престол Николая Чудотворца. На звоннице собора находилось 10 колоколов. В храме также отслужили молебен в честь победы русского войска над Наполеоном.

Собор поддерживался именитыми купцами Красноуфимска. При нем действовала церковно-приходская школа, а также окормлялась второклассная учительская школа на Миссионерском хуторе. Ежегодно в день Казанской иконы Божией Матери проводились многолюдные крестные ходы. К храму относились 6 часовен и 4 домовые церкви.

В 1918 году чекисты арестовали и жестоко убили настоятеля Свято-Троицкого Собора протоиерея Алексея Будрина, иерея Льва Ершова и священника Введенской церкви Александра Малиновского. 16 сентября их тела были перезахоронены у Свято-Троицкого Собора. 14 декабря 1935 года собор был разграблен и закрыт, а в последующие годы в нем размещались различные учреждения. В 1951 году храм оказался полуразрушенным.

23 июня 2001 года был создан Приход во имя Святой Троицы, настоятелем которого стал иерей Андрей Рыжаков. 4 ноября в храме прошла первая Божественная Литургия. 6 декабря была организована воскресная школа для взрослых и начала работу православная библиотека. 20 декабря был создан попечительский совет храма и открыта трапезная.

25 июня 2002 года начал работу детский душепопечительский центр во имя Боголюбской иконы Божией Матери. 22-23 июля были обретены мощи священномучеников иереев Льва Ершова и Александра Малиновского. 5 октября обретены мощи священномученика Алексия Будрина. Мощи всех трех священномучеников выставлены в храме для поклонения.