24 октября 1990 года в Шарыпово была официально зарегистрирована религиозная община Русской Православной Церкви. 14 ноября того же года исполком Шарыповского городского Совета народных депутатов принял решение об отводе земельного участка под строительство православного храма. В этот же день состоялась установка креста и освящение строительной площадки.
18 июля 1991 года была забита первая свая в основание будущего собора. Кирпичная кладка стен завершилась в июле 1994 года. К июлю 1995 года был практически завершен главный купол храма, а 15 июня того же года состоялось освящение крестов. В конце февраля 1996 года были установлены еще два купола. Колокольня собора оснащена семью колоколами, отлитыми на московском заводе ЗИЛ; самый маленький весит 14 кг, самый большой — 18 пудов. Колокола были установлены и впервые зазвучали 9 апреля 1996 года.
К марту 1997 года храм был открыт для верующих. Сооружение иконостаса началось в конце 1998 года и было завершено в начале 1999 года. 3 декабря 1999 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II совершил чин великого освящения собора. Главный престол был освящен в честь Живоначальной Троицы, правый придел — во имя преподобного Сергия Радонежского, левый придел — во имя равноапостольной княгини Ольги.
Архитектурно собор представляет собой пятикупольное сооружение, выполненное в стиле русской архитектуры XVI века. Высота храма составляет 47 метров, а вместимость — около 1200 человек. Вместе с прилегающей территорией собор занимает площадь в 2,5 гектара.
