Первая церковь в Каменске была построена в 1701 г. Позднее, когда была построена деревянная крепость, она находилась внутри этой крепости. Сама церковь тоже была деревянная рубленная, покрыта тесом. Она была небольшой: в длину около 27, а в ширину чуть более 13 метров. Называлась Трёхсвятительской: во имя трех святителей Василия Великого, Григория Богослова, Иоанна Златоуста. У нее был придел (пристрой для дополнительного алтаря) во имя св. прав. Артемия Веркольского.
Каменный храм взамен деревянной Трёхсвятительской церкви начали строить в 1790-е гг. и закончили в 1813 г. Главный придел был освящен в честь Святой Живоначальной Троицы, правый придел – в честь Трёх Святителей, а левый – в честь св. праведника Артемия Веркольского. Но уже через несколько лет появилась угроза обрушения колокольни. По проекту архитектора М. П. Малахова в 1821-1828 гг. церковь была перестроена. Архитектор обогатил пластику церкви двумя приделами с юга и с севера, надстроил трапезную вторым этажом, заменил старую колокольню новой. Колокольня стала более величественной, ее завершал выразительный четырехгранный обелиск.
Весной 1918 г. из Свято-Троицкой церкви были изъяты метрические книги с регистрацией рождений, смертей и браков – так претворялся в жизнь декрет об отделении церкви от государства.
В начале 1930 г. церковь была закрыта, а 13 сентября 1930 г. на заседании Малого Президиума Уралоблисполкома приняли постановление: «Разрешить Каменскому Райисполкому использовать под культурно-просветительское учреждение здание церкви, с обязательным переоборудованием в месячный срок».
Верхний этаж Свято-Троицкого собора был превращен в пионер-клуб, нижний отдан под библиотеку и музей, а позже здание церкви было передано местной швейной фабрике «Маяк».
Сегодня Свято-Троицкий собор – главный храм Каменской епархии. В храме ежедневно совершаются богослужения, действует библиотека, по воскресеньям проходят занятия в церковно-приходской школе для детей. Реставрационные работы на Свято-Троицком соборе продолжаются до сих пор.