Храм Пресвятой Троицы в Осе был задуман в конце XIX века, а 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 строительства выбрали на так называемой «Красной площади». Свято-Троицкий собор был возведен в стиле русского модерна начала XX века, при этом он также отражает архитектурные формы древнерусских церквей середины XVII века. Смешение стилей придает собору уникальную красоту.

Архитектор Турчевич умер в 1909 году в возрасте 54 лет, не дождавшись завершения строительства. Освящение нового каменного собора во имя Святой Троицы состоялось 16 июня 1916 года, спустя 14 лет после начала строительства. Первые священники храма, Дмитрий Киприянович Овечкин и Петр Алексеевич Алексеев, были расстреляны в годы советской власти. Службы в соборе велись до 1927 года, после чего он разделил судьбу многих культовых сооружений страны.

Собор был закрыт по решению Уральского облисполкома 27 сентября 1930 года, и его здание начало переходить из одного ведомства в другое. Оно использовалось как краеведческий музей, а затем для хозяйственных нужд: здесь размещались машинно-тракторные мастерские, а в подвал завозили лед для хранения молока. С 1956 года часть здания эксплуатировалась Осинским зооветтехникумом, где размещался спортзал для занятий волейболом и тяжелой атлетикой. В южной части собора в 60-70-х годах находился местный автовокзал.

Пожары в 1967, 1968 и 1971 годах, а также отсутствие надзора за состоянием памятника архитектуры привели к разрушению колокольни. С 1979 по 1984 годы здание собора подверглось частичной реставрации, но последующие 16 лет оно оставалось невостребованным и разрушалось.

В 2000 году глава администрации Осинского района И. В. Камских инициировал изучение вопроса о восстановительных работах на соборе. В начале 2001 года этот вопрос обсуждался на Земском собрании. 30 мая 2004 года состоялось освящение собора и празднование Дня Святой Троицы, что ознаменовало его вторую жизнь. Начались службы крещения, венчания и другие церковные таинства.

В 2006-2007 годах восстановительные работы продолжались: была сделана отмостка вокруг здания, проведены исследования состояния фундаментов, остекление окон собора. 25 августа 2006 года демонтировали старый купол, а 26 августа установили новый купол и крест высотой 4,2 метра. Летом 2007 года были изготовлены и установлены четыре средних купола с крестами на пожертвования ООО «Лукойл-Пермь». Работы по восстановлению храма продолжаются и сегодня.