Каменский приход образовался на месте поселения Далматовского монастыря, получив свое название от реки Каменки. В состав Каменского прихода входят деревни: Токарева, Байнова, Брод, Новозаводская, Позориха и Мазуля; все прихожане в количестве 4458 душ муж. пола и 4519 жен. пола по своему происхождению русские, отчасти сами выселившиеся из разных мест России, отчасти в крепостное время переселенные правительством. Жители по недостатку земли мало занимаются земледелием, по большей части работают на заводе и рудниках, а также занимаются ремеслами: кузнечным, столярным, сапожным и слесарным; в деревнях занимаются земледелием и скотоводством, в свободное время вывозкой руды и др. необходимых на заводе материалов.
Начало Каменского прихода относится к 1700 году. Первый деревянный храм, построенный в 1701 году в честь Трех Святителей с приделом праведного Артемия Веркольского, сгорел в 1768 году Построенный в 1779 году второй деревянный храм в честь тех же святых с оставлением прежних антиминсов также сгорел во время пожара в 1815 году. Но так как этот храм был построен из соснового леса, перед тем много лежавшего и одрябшего, вследствие чего преждевременно пришел в ветхость, то еще в 1790 году дано было разрешение на построение каменного трехпрестольного храма – большого летнего во имя Пресвятой Живоначальной Троицы и придельных: с правой стороны – в честь Трех Святителей, а с левой — Артемия Веркольского. В 1805 году были освящены придельные храмы, а в 1813 году храм Живоначальной Троицы.
В 1828 году приделы и колокольня перестроены. Над приделами воздвигнут второй этаж, в коем устроены три престола: во имя Нерукотворенного Образа Спасителя, Тихвинской иконы Божией Матери и св. прор. Илии; а к нижнему этажу пристроены еще два придела: с южной стороны – в честь Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня, с северной – во имя св. вмц. Параскевы. Таким образом, существующий храм восьмипрестольный, устроен старанием и иждивением прихожан.
Иконостасы в верхней церкви украшены резьбою и сплошь золоченные, а в верхней церкви гладкие, сплошь золоченные. Иконостасы устроены на церковные суммы, получавшиеся от владения торговой площадью, на которой устроены лавки и весы. Арендные доходы с последних шли на содержание и украшение храма до 1895 года, когда общество Каменского завода отобрало их в свою пользу.
Причт состоит из трех священников, диакона и трех псаломщиков. Для помещения причта имеется 1 церковный дом. Приписная церковь — кладбищенская Покровская, каменная, однопрестольная, построена в 1883 году. В самом заводе существуют три школы: земская, женская; министерская мужская и церковная школа грамоты при женской общине.
Созданием нового проекта руководил главный архитектор Екатеринбургского управления горных заводов Михаил Павлович Малахов. Проект был выполнен в 1821 году. Архитектор обогатил пластику церкви двумя портиками с юга и с севера, надстроил трапезную вторым этажом. Новую колокольню украсили большие арочные трехчастные окна, величественная коринфская ротонда со сферическим куполом. Завершилась колокольня не шпилем, а четырхгранным обелиском. В 1828 году в соответствии с новым проектом перестроены приделы и колокольня, вся церковь «совершенно окончена, внутри и снаружи оштукатурена».
Церковь владела торговой площадью — лавками и весами, обширная территория, включавшая магазины по нынешней улице Ленина, часть Соборной площади, здание приюта — здесь были расположены конюшни, а также территория в сторону магазина «Кооператор». Рядом располагалось небольшое церковное кладбище.
В 1912 году Свято-Троицкий храм Каменского завода, наряду ещё 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.
Весной 1918 года было издано постановление изъять из Свято-Троицкой церкви метрические книги, с регистрацией рождений, смертей и браков.
Погиб протоиерей Свято-Троицкого собора Василий Победоносцев. Он был зарублен на станции Синарской. Решением Освященного Архиерейского собора Русской Православной Церкви от 2000 года священник Василий Победоносцев причислен к лику святых в чине священномученика.
Собор был закрыт 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.
Колокольня Свято-Троицкого собора с середины 1930-х и до начала 40-х годов использовалась в качестве парашютной вышки. 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 кафедральный собор является главным храмом Каменской епархии. При храме действует библиотека. По воскресеньям проходят занятия в церковно-приходской школе. Среди святынь можно выделить икону святого праведного Симеона Верхотурского с частицей мощей, которая постоянно находится в храме.
