Первая деревянная церковь в Билимбае была заложена в 1738 году, она была деревянная. Как и большинство деревянных храмов тех времен, этот храм в 1774 году сгорел, уцелела только колокольня, которая стояла отдельно от церкви. В 1775 году была заложена новая деревянная церковь, но и этот храм сгорел. В 1801 -1803 гг. была построена новая деревянная церковь на кладбище. Этот храм прослужил до 1843 году, после чего был разобран из-за ветхости. Большой каменный храм был заложен в 1818 году. В 1823 году из-за недостатка архитектурных и строительных знаний, купол обрушился и руководство Билимбайского завода прекратило работы. Работы были возобновлены в 1835 году. А достроен храм был лишь в 1855 году и освящен в честь Святой Троицы. По мнению исследователей, автором проекта храма был крепостной И. И. Свиязев, ставший в будущем известным архитектором и строивший Храм Христа Спасителя в Москве. Храм был закрыт для богослужений перед самой Великой Отечественной войной. В годы войны в храме рас