Собор Троицы Живоначальной в Красноуфимске был построен в 1804 году в стиле классицизма. Здание возведено на высоком подвале и состояло из холодного храма типа восьмерик на четверике, трапезной с Никольским приделом, многоярусной колокольни со шпилем и притвора. В 1925 году был устроен третий престол в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость». На звоннице собора находилось 10 колоколов.
Первая деревянная церковь во имя Святой Троицы и Святителя Николая была освящена в Красноуфимской крепости в 1736 году. В 1774 году, во время восстания Емельяна Пугачёва, крепость сдалась без боя, и в церкви был отслужен молебен о здравии атамана. Деревянный храм сгорел в 1806 году, после чего был возведён каменный собор.
В 1918 году настоятель собора протоиерей Алексей Будрин, иерей Лев Ершов и священник Александр Малиновский были арестованы и казнены. Их тела были перезахоронены у стен собора 16 сентября 1918 года. В 1935 году собор был закрыт, а в последующие годы использовался под различные учреждения. К 1951 году здание храма было частично разрушено.
В 2001 году приход был воссоздан, а 4 ноября того же года в храме совершилась первая Божественная литургия. В 2002 году были обретены мощи священномучеников Алексия Будрина, Льва Ершова и Александра Малиновского, которые ныне пребывают в храме для поклонения.