Приход села Валамаз Глазовского уезда Вятской губернии был открыт по определению Святейшего Синода от 9 декабря 1845 года. Первые богослужения совершались в молитвенном доме. В 1847 году на средства прихожан была построена деревянная церковь с одним престолом, освященная 3 ноября 1847 года во имя Святой Троицы. В 1863 году из-за маловместимости храм был разобран, за исключением алтаря, и заменен новой деревянной церковью с тем же посвящением.
Каменный храм в честь Святой Троицы был возведен в 1896 году по проекту архитектора В.М. Дружинина в эклектичном русском стиле. Строительство велось на средства прихожан при материальной поддержке Елабужского комитета Ф.Г. Чернова и благотворителя Г. Бердинского. Освящение состоялось 12 декабря 1896 года. Прежняя деревянная церковь в 1899 году была перенесена в село Монья Малмыжского уезда.
При храме действовало церковно-приходское училище. В 1937 году богослужения прекратились, здание использовалось как склад «Заготзерно», хотя официального решения о закрытии не принималось. В послевоенный период храм находился в заброшенном состоянии.
Восстановительные работы начались в конце XX века. 10 апреля 2009 года, после завершения реставрации, храм был вновь открыт для богослужений. С 2019 года приход участвовал в региональном конкурсе «Православная инициатива на Удмуртской земле», реализовав проект по восстановлению исторической ограды.
В 2022-2024 годах проводились работы по устройству газовой котельной для замены печного отопления. Архитектурный облик храма сохраняет характерные черты русского стиля: белоснежные стены, изящные купола и стройная колокольня. Храм является памятником церковного зодчества конца XIX века.