История основания Свято-Троицкой церкви в г. Каменске-Уральском неразрывно связана с историей Каменского завода и Далматовского Успенского мужского монастыря. В конце XVII века Россия готовилась к войне со Швецией за выход к Балтийскому морю. В 1697—1700 годах последовал ряд царских указов Верхотурскому и Тобольскому воеводам о поисках железной руды и строительстве железных заводов на реках Нейве и Каменке. В 1699 году царским указом повелено было Тобольским воеводам Михаилу Яковлевичу и Алексею Михайловичу Черкасским испытать железную руду, добываемую из рудников Далматовского монастыря. Присланный в Москву образец железа оказался весьма хорошим. Вслед за тем речка Железенка, называемая уже Каменкою, с окрестными железными рудниками взята была в казну, и начато строение большого казенного завода с настоящей уже доменной печью, из которой первый чугун пошел в конце 1701 года. В 1703 году на Каменском чугуноплавильном заводе уже отливались большего размера пушки. Для строительства Каменского завода и выплавки чугуна требовалось много рабочих и деловых людей. Правительством к заводу было приписано более трех тысяч крестьян Катайского и Колчеданского острогов, Камышевской и Багарякской слобод.

1701 году при Каменском заводе был построен деревянный храм во имя Трех Святителей, с приделом во имя святого праведного Артемия Веркольского. Этот храм сгорел при пожаре в 1768 году. В 1770 году построен был второй храм с оставлением прежних антиминсов, который так же сгорел во время пожара в 1815 году. Так как храм был построен из плохого соснового леса то еще в 1790 году было дано разрешение на строительство каменного трех престольного храма с главным престолом во имя Святой Троицы, и двух приделов: южного — в честь Трех Святителей, северного — в честь святого праведного Артемия Веркольского. Строительство церкви возобновилось по новому проекту, В 1805 году были построены и освящены придельные храмы. Освящение основного храма Святой Живоначальной Троицы состоялось в 1813 году. Вскоре появилась угроза обрушения новой колокольни. Было принято решение произвести реконструкцию всей церкви с возведением новой колокольни на новом фундаменте. Проект реконструкции церкви был выполнен известным уральским архитектором М.П. Малаховым в 1821 году. В полном соответствии с проектом в 1828 году были пристроены приделы, надстроена вторым этажом трапезная и возведена новая колокольня. Вся церковь была совершенно окончена, внутри и снаружи оштукатурена. На втором этаже церкви были устроены три престола: первый — во имя Нерукотворного Образа Спасителя, второй — в честь Тихвинской иконы Божией Матери, третий — во имя святого пророка Илии. На нижнем этаже: южный придел — в честь Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня, северный — во имя святой великомученицы Параскевы. Поэтому храм являлся восьмипрестольным. Старая невыразительная колокольня была заменена новой, которая должна была стать символом и завода и города. Завершается колокольня не шпилем, как обычно, а четырехгранным обелиском. Этот последний штрих придает не только самой колокольне, но и всему храму светский характер, что оправдывает ее соседство с заводскими постройками.

Общая тональность всего сооружения поставила Свято-Троицкую церковь в Каменске в один ряд с лучшими произведениями культового зодчества первой половины XIX века не только на Урале, но и во всей России. В 1912 году Свято-Троицкий храм Каменского завода, наряду еще с пятью приходскими храмами Екатеринбургской епархии, получил статус собора.

12 августа 1912 года Преосвященный Митрофан после Божественной литургии объявил Указ Священного Синода о возведении Свято-Троицкой церкви в степень штатного собора.

Весной 1918 года Совет постановил изъять из Свято-Троицкой церкви метрические книги, с регистрацией рождений, смертей и браков — так проводился в жизнь декрет об отделении церкви от государства. В это время, по-видимому, мученически погиб протоиерей Свято-Троицкой церкви Василий Победоносцев. Он был зарублен на станции Синарской. Решением Освященного Архиерейского собора Русской Православной Церкви 2000 года священник Василий Победоносцев причислен к лику святых в чине священномученика.

Закрытие Свято-Троицкого прихода состоялось в декабре 1930 года. На жалобу прихожан против закрытия прихода в Москву властями было заведено дело «О закрытии Свято-Троицкого собора», 13 сентября 1930 года на очередном заседании Малого Президиума Уралоблисполкома было принято постановление: «Разрешить Каменскому Райисполкому использовать под культурно-просветительное учреждение здание церкви, закрытой по постановлению Президиума Облисполкома от 3 февраля 1930 года, с обязательным переоборудованием с месячный срок. 3 декабря Каменский административный отдел направил сообщение в областной отдел, что «Свято-Троицкая церковь передана в распоряжение Каменского Исполнительного комитета…

Переоборудование данного помещения — верхний этаж — пионер-клуба, нижний — под библиотеку и музей, позже здание церкви было передано на баланс местной швейной фабрики Маяк.
К моменту передачи собора верующим в 1990 году здание церкви находилось в аварийном состоянии: был разрушен купол с обелиском, не сохранилась роспись из-за забеливания стен, по зданию были проложены различные коммуникации. 13 июля 1990 года был принят документ — проект решения №231 «О передаче здания Свято-Троицкой церкви — памятника архитектуры XVIII века обществу православных христиан».
В 1998 году Свято-Троицкий собор получил статус Архиерейского подворья. В 1999 году настоятелем был назначен благочинный Южного Церковного округа протоиерей Иоанн Агафонов.19 декабря 2001 года в день Святителя и Чудотворца Николая Мирликийского архиепископ Екатеринбургский и Верхотурский Викентий освятил престол в главном храме Каменска-Уральского — Свято-Троицком соборе.
В настоящее время Свято-Троицкий собор продолжает восстанавливаться, благоукрашаться, и ежедневно в нем совершаются Богослужения.