В 1848 году на средства Горного ведомства в селе Шарташ, позднее вошедшем в состав Екатеринбурга, была возведена каменная часовня. В 1862 году часовня была преобразована в храм, что позволило образовать самостоятельный православный приход. До этого жители Шарташа были приписаны к приходу екатеринбургского собора во имя Святой Великомученицы Екатерины, а с 1857 по 1862 год — к Пророко-Илиинскому приходу Берёзовского завода.
17 июля 1892 года храм был освящён в честь Святой Живоначальной Троицы. Решение о капитальной перестройке здания было принято 17 октября 1888 года в память о спасении императора Александра III и его семьи при крушении поезда. Торжественная закладка первого камня состоялась 27 августа 1889 года. В ходе перестройки были пристроены алтарь и двухъярусная колокольня, а также возведено здание для церковно-приходской школы.
В 1937 году храм был закрыт в рамках кампании по массовому закрытию церквей. Церковное имущество было вывезено и захоронено на берегу озера Шарташ. Здание использовалось под нужды пожарной охраны, кинотеатра «Луч» и местного клуба. В период Перестройки в нём размещался Екатеринбургский центр ремёсел.
В октябре 1995 года здание храма было возвращено Екатеринбургской епархии. К 2000 году завершилась капитальная реконструкция: восстановлена колокольня со звонницей из семи колоколов, проведена перепланировка помещений, установлен иконостас. В 2002 году при храме открылась воскресная школа, а в 2009 году был построен духовно-просветительский центр.
С 2013 года приход получил самостоятельный статус. В храме находятся ковчежцы с частицами мощей преподобномученика Иоанна Савваита, 14000 Вифлеемских младенцев, блаженного Космы Верхотурского, великомученика Георгия Победоносца и других святых.
