В 1839 году пожар уничтожил колокольню церкви Сошествия Святого Духа, известной как Свято-Духовская церковь. Первоначально планировалось восстановить колокольню на прежнем месте, однако впоследствии было принято решение о строительстве нового храма-колокольни. В 1841 году архитектор Михаил Малахов разработал проект в стиле классицизма, но он не был утверждён. В 1842 году Главное управление путей сообщения и публичных зданий предложило новый проект в русско-византийском стиле, который также не получил одобрения местных жителей из-за финансовых соображений. В 1844 году император Николай I утвердил окончательный проект, предположительно разработанный архитектором Василием Морганом. Строительство началось 21 сентября 1847 года под руководством епископа Екатеринбургского Ионы. Изначально планировалось возвести большой храм с колокольней, однако из-за нехватки средств был построен только храм-колокольня, получивший название «Большой Златоуст». Строительство длилось 29 лет и завершилось освящением 24 июля 1876 года епископом Екатеринбургским Вассианом.
Архитектура храма выполнена в русско-византийском стиле. Здание окрашено в розовый цвет, аналогично Свято-Духовской церкви. Размеры храма составляют 32 метра в длину и 24,5 метра в ширину. Пятикупольная композиция включает центральную колокольню высотой 65 метров. На колокольне установлено 10 колоколов общим весом 23,9 тонны, крупнейший из которых весит более 16 тонн и является четвёртым по величине в Российской империи. В 1897 году на средства купца М.Ф. Рожнова была установлена система отопления и пристроена паперть.
