Большой трехпрестольный храм в Билимбаевском заводе заложен в 1820 году. Так началось строительство одного из первых храмов, выполненных в стиле петербургского классицизма. Возводили здание на средства заводчиков Строгановых. В сентябре 1824 года в Билимбаевском заводе графини Софьи Владимировны Строгановой побывал проездом император Александр I, осмотревший строящуюся церковь. Главный престол в честь Святой Живоначальной Троицы освятили в ноябре 1839 года. Позднее храм был расписан фресками в брюлловском стиле.
В 1934 году храм закрыли. 8 марта 1938 года взорвали неподатливую старую кладку звонницы. Старожилы Билимбая вспоминают, что кирпичи с колокольни были использованы при строительстве поселковой школы. Спустя годы, храм в центральной, самой высокой части, разделили на два уровня — получилось два этажа. Внизу был зрительный зал и другие залы клуба, вверху — библиотека. В годы Великой Отечественной войны в помещении бывшей церкви размещался эвакуированный завод № 290. В годы войны в церкви некоторое время находились секретные конструкторские бюро. Сюда прибыло три авиационные фирмы. Известно, что в Билимбае создавался и испытывался первый в СССР самолет с реактивным двигателем БИ-1. После войны здесь размещался кинотеатр «Октябрь». В 1960-х годах здание перестроили, убрали центральный купол.
В 1994 году строение было передано Екатеринбургской епархии. После чего проведены внутренние ремонтные работы. В 1995 году в Казанском приделе воссозданного Троицкого прихода вновь начались богослужения. В начале лета 2009 года на втором этаже здания открылся главный Свято-Троицкий придел. В конце 2014 года на территории Билимбая начал работу евразийский фонд национального наследия «Строганофф». Одна из задач фонда — восстановить первоначальный облик Свято-Троицкого храма.
Все храмы Первоуральского благочиния
Адрес: Первоуральск, поселок Билимбай, площадь Свободы, 1