Храм Пресвятой Троицы в Осе был задуман в конце XIX века, а его проект разработал архитектор Александр Бонавентурович Турчевич. Строительство собора началось в 1902 году, когда бурное развитие промышленности позволило местному сообществу вложить значительные средства в этот проект. Место для собора выбрали на "Красной площади". Свято-Троицкий собор выполнен в стиле русского модерна начала XX века, но также отражает элементы древнерусской архитектуры XVII века. Это сочетание стилей придаёт собору уникальную красоту. Архитектор Турчевич скончался в 1909 году, не дождавшись завершения строительства.

К 1916 году собор был почти готов, за исключением колокольни. Он занимает центральное место в ансамбле старой Осы, а его купола видны на десятки километров. По рассказам старожилов, на колокольне была звонница с небольшими колоколами, самый большой из которых имел диаметр полтора метра. Кресты из меди сияли на солнце, а купола были голубыми. Во время служб храм был полон прихожан. Размеры собора впечатляют: длина 53,35 м, ширина 46,3 м, высота 44,18 м, диаметр купола 11,4 м, а площадь здания составляет 1254,6 кв.м. Стены украшены каменными узорами.

Собор построен из красного кирпича, поступавшего с заводов князей Голицына и Тупицина. Отопление обеспечивали калориферные печи из Бельгии. Семья Осиповых внесла значительный вклад в строительство. Рамы изготовил мастер Светников, а металлические изделия, И. М. Перетягин. Иконы для иконостаса писал московский художник Шварев, а сам иконостас изготовил мастер А. С. Рякин. Освящение собора состоялось 16 июня 1916 года. Первые священники, Дмитрий Овечкин и Петр Алексеев, были расстреляны в советское время.

Службы в соборе велись до 1927 года, после чего он был закрыт по решению Уральского облисполкома в 1930 году. Здание использовалось для различных нужд: краеведческий музей, мастерские, автовокзал и спортзал. Пожары и отсутствие надзора привели к разрушению колокольни. С 1979 по 1984 год проводилась частичная реставрация, но затем собор стоял без дела и разрушался.

В 2000 году началось обсуждение восстановления собора. В 2003 году Епископ Пермский и Соликамский Иринарх благословил работы по восстановлению. Были выполнены ремонт кровли, установка крестов, изготовление иконостаса, подведение коммуникаций. Освящение собора состоялось 30 мая 2004 года, и он вновь начал принимать прихожан. В 2006-2007 годах работы продолжались: укрепление фундамента, остекление окон, замена куполов. Восстановление храма продолжается и сегодня.