Первая деревянная церковь, во имя Живоначальныя Троицы, заложена 12 июня 1754 года по благословению Митрополита Тобольского и Сибиского Сильвестра. Освящена по благословенной грамоте того же Митрополита 20 августа 1755 года. Эта церковь, построенная прихожанами на свои средства, в 1825 году за ветхостью была разобрана: на месте престола поставлен мраморный памятник.
Существующее ныне каменное здание бывшего храма заложили 2 июля 1811 года «по благословению Преосвященнаго Иустина, освящено 14 июля 1816 года вышеназванным Владыкою». Сводчатые купола опирались на шестигранные барабаны с узкими декоративными оконцами. Колоннада с узорчатыми антаблементами вверху и пилястрами внизу каждого столпа придавала храму парадный вид. Шлемообразные маковки поддерживали кресты. Под одной из них, наиболее высокой, размещалась звонница. Эта башенка была трёхъярусной. Выкружки, капители, сандрики, аркатуры, фронтоны и другие архитектурные элементы украшали наружные фасады храма. Привлекали восхищённые взгляды и внутренние интерьеры — мозаикой, фресками, росписями.
Так как население заводской слободки и ближайших к ней поселений увеличивалось, а проживали в них, в основном, люди православные, то в 1872 году прихожане решили расширить храм во всю длину вершины холма приделами и согласились жертвовать по 2 копейки с заработанного рубля на их постройку. Через четыре года, по благословению архиепископа Антония, состоялось их заложение: «праваго — в честь Преображения Господня и леваго — в честь Воздвижения Честнаго Животворящего Креста. Освящение приделов 5 и 6 сентября 1887 года совершил Преосвященный Нафанаил». А ещё пять лет спустя, с разрешения епископа Афанасия, началась реконструкция главного храма. Она была закончена только в 1902 году заменой малого и довольно ветхого иконостаса. Он «не смотрелся» рядом с нарядными придельными иконостасами — двухъярусными, с позолоченной резьбой, окрашенными белою краской.
В 1915 году в трёхпрестольной Свято-Троицкой церкви несли службу два священника с жалованием из заводской казны по 270 рублей в год каждый, дьякон, два псаломщика. У церкви имелось 25 десятин покосных угодий, три жилых дома, в одном из сохранившихся ныне расположено управление заводского ОРСа. Приход состоял из 4 270 человек обоего пола, а доход — 2278 рублей в год. К храму относились и две часовни — северская и кособродская.
В 1930-х годах под девизом: «Религия — опиум для народа» началась травля не только священнослужителей, но и паствы, закрытия и разрушения культовых святынь. Лозунг: «Борьба с религией — борьба за социализм» был реализован и в Полевском районе. Весной 1932 года «Лена-банк» выделяет Северскому металлургическому заводу средства на переустройство её под клуб. Конструкторское бюро СМЗ разрабатывает проект, по которому в здании появляются зрительный зал на 160 и балкон на 77 мест, кинобудка, читальня, кружковые, артистическая и оркестрантская комнаты, котельное и угольное помещения для собственного водяного отопления. Над зрительным залом были переделаны перекрытия, разобрана звонница, сняты колокола и главки вместе с крестами, а над барабанами, некогда поддерживающими купола, появились радиомачты от Радиолюбительской станции.
Начиная с 1949 года, клуб им. И. В. Сталина претерпел особенно много изменений. У первой северской церкви центральным входом оставался один — восточный, у новой же — и с востока, и с юга, и с севера, который становится «парадным». В центре нового пристроя теперь размещаются два гардероба, касса с залом, вестибюль. Перед вестибюлем — шикарный портик, каменные ступеньки, новая колоннада. Остальные входы — запасные.
В 1956—1960 годах клуб перепланируется под детский сектор Дворца культуры северских металлургов. От улицы Пролетарской до клуба и соседней с ним школы рабочей молодёжи прокладываются инженерные сети — теплотрасса, водопровод, канализация. Деревянные лестницы и ограждения заменяются на металлические. С 1961 года клуб становится городским Дворцом пионеров и школьников. В связи с этим в нём реконструируются гардероб, сцена, буфет, механическая мастерская, киноаппаратная, в которую приобрели передвижную киноустановку. Затем в 1973 году клуб пионеров был переоборудован под музей СТЗ.
В 1991 году часть храма была передана верующим, а в 1996 году и вовсе всё здание храма было передано православному приходу. 25 сентября 1991 года южный придел был освящен Высокопреосвященнейшим архиепископом Мелхиседеком Лебедевым в честь Пресвятой Троицы, а 13 июля 2001 года центральный придел освящен Высокопреосвященнейшим архиепископом Викентием Морарем в честь Воздвижения Креста Господня.
