В 1810 году купец Яким Меркурьевич Рязанов, глава местной старообрядческой общины, обратился к властям с просьбой о разрешении на строительство молельного дома для старообрядцев. Однако разрешение не было получено из-за отсутствия утверждённого проекта. Несмотря на это, в 1814 году, по проекту архитектора Михаила Павловича Малахова, началось строительство каменной трёхпрестольной церкви в стиле классицизма. К 1824 году значительная часть здания была возведена, но отсутствие официального разрешения не позволило завершить строительство и освятить храм.
В 1838 году Яким Рязанов и часть его сторонников приняли единоверие — направление, объединявшее старообрядцев с Русской Православной Церковью при сохранении старых обрядов. Это позволило продолжить работы: 12 октября 1839 года был освящён северный придел во имя святителя Иоанна Златоуста, 13 октября 1849 года — южный придел во имя святителя Николая Чудотворца, а 13 мая 1852 года состоялось освящение главного храма в честь Святой Живоначальной Троицы. В 1854 году к церкви была пристроена каменная колокольня, завершившая архитектурный ансамбль.
В 1930 году, в период антирелигиозной политики советской власти, храм был закрыт. Купол и колокольня были демонтированы, внутреннее пространство подверглось перепланировке. В разные годы здание использовалось под кинотеатр, ткацкую фабрику и Дом культуры автомобилистов. В 1980-х годах здесь проводились фестивали, включая литературный фестиваль «Аэлита» и концерты Свердловского рок-клуба.
В 1996 году здание было возвращено Русской Православной Церкви. Начались восстановительные работы, в ходе которых в 1998–1999 годах были заново возведены купольные барабаны, а в 2000 году — колокольня. 24 сентября 2000 года Патриарх Московский и всея Руси Алексий II совершил торжественное освящение восстановленного храма.
