В начале XIX века купцы города Осы столкнулись с выбором: строить железную дорогу или новый храм. Было решено, что для Пермской губернии храм важнее, так как река Кама, протекающая рядом, обеспечивала транспортировку грузов по всей России. В 1902 году началось строительство Свято-Троицкого собора. Архитектор Александр Турчевич из Перми спроектировал здание в русско-византийском стиле с элементами древнерусской архитектуры. Горожане активно финансировали проект, а купцы второй гильдии Осиповы, Анна Павловна и её сын Иван Алексеевич, пожертвовали около 8 тысяч рублей.

Архитектор скончался в 1909 году, не дождавшись завершения строительства. Все пожертвования тщательно фиксировались. Например, с 1912 по 1915 годы было собрано 15757 рублей 78 копеек. Из этих средств 2000 рублей пошли московскому художнику Швареву за иконы для иконостаса, а 32 рубля, купцу Любимову за доставку на пароходе в Осу. В 1916 году собор был достроен и освящен на праздник Святой Троицы 16 июня, хотя колокольня осталась незавершенной. Величественное здание, длиной более 50 метров, шириной более 45 метров и высотой более 40 метров, было построено из красного кирпича заводов князей Голицына и Тупицина и отапливалось бельгийскими калориферными печами.

В 1930 году собор закрыли по решению исполкома, и он использовался для различных нужд: как музей, мастерские, спортзал техникума и даже автовокзал. Три пожара в 1967, 1968 и 1971 годах и отсутствие ухода привели здание в упадок. Новую жизнь храм обрел 30 мая 2004 года, когда в нем вновь начали проводить службы и обряды венчания, крещения и отпевания.