В 1701 году, одновременно с основанием Каменского казённого железоделательного и чугуноплавильного завода, был построен первый деревянный храм во имя Трёх Святителей с приделом во имя святого праведного Артемия Веркольского. Этот храм сгорел при пожаре в 1768 году. В 1770 году на его месте был возведён второй деревянный храм, который также был уничтожен пожаром в 1815 году.
В 1790 году было получено разрешение на строительство каменного трёхпрестольного храма с главным престолом во имя Святой Троицы и двумя приделами: южным — в честь Трёх Святителей и северным — в честь святого праведного Артемия Веркольского. Строительство продолжалось с перерывами, и в 1805 году были освящены придельные храмы, а в 1813 году — основной храм Святой Живоначальной Троицы. Однако вскоре возникла угроза обрушения колокольни, что потребовало проведения реконструкции всего комплекса.
В 1821 году главный архитектор Екатеринбургского управления горных заводов Михаил Павлович Малахов разработал проект реконструкции храма. В ходе работ были пристроены портики с южной и северной сторон, трапезная надстроена вторым этажом, а старая колокольня заменена новой, украшенной арочными трёхчастными окнами и завершённой четырёхгранным обелиском. В 1828 году реконструкция была завершена, и храм приобрёл современный облик.
В 1912 году Свято-Троицкий храм получил статус собора. 12 августа того же года Преосвященный Митрофан объявил указ Священного Синода о возведении храма в степень штатного собора.
В декабре 1930 года собор был закрыт, и его здание использовалось для различных нужд: на втором этаже размещался пионерский клуб, на первом — библиотека и музей, позже здание передали швейной фабрике «Маяк». К моменту передачи собора верующим в 1990 году здание находилось в аварийном состоянии: был разрушен купол с обелиском, не сохранилась роспись из-за забеливания стен, по зданию были проложены различные коммуникации.
