В 1785 году княгиня Варвара Александровна Шаховская основала Лысьвенский чугунолитейный завод. С ростом поселения возникла потребность в строительстве православного храма для духовного окормления рабочих и их семей. На средства княгини Шаховской в центре рабочего поселка был возведен деревянный храм, освященный 11 июня 1799 года во имя Святой Живоначальной Троицы. Этот храм стал первым православным приходом в Лысьве, его главный престол был посвящен Святой Троице, а придел — святителю Николаю Чудотворцу.
К середине XIX века деревянный храм обветшал и не мог вместить всех прихожан. В связи с этим было принято решение о строительстве нового каменного храма. Строительство началось в 1864 году и завершилось освящением нового храма 8 октября 1871 года. Новый храм был построен в русско-византийском стиле, имел три престола: главный — в честь Святой Живоначальной Троицы, правый — во имя святителя Николая Чудотворца, левый — во имя святого благоверного князя Александра Невского.
В советский период, в 1930-х годах, храм был закрыт, его имущество конфисковано, а здание использовалось под различные хозяйственные нужды. В результате этого храм пришел в запустение, его архитектурный облик был частично утрачен.
В 1990-х годах, с началом возрождения духовной жизни в России, было принято решение о восстановлении храма. Благодаря усилиям местных жителей и поддержке администрации города начались реставрационные работы. Восстановленный храм был вновь освящен и открыт для богослужений.