История храма восходит к середине XVIII века, когда в 1753 году на этом месте была построена деревянная церковь в честь пророка Илии.Впоследствии, в том же году, рядом была возведена деревянная Знаменская церковь, которая стала местом пребывания почитаемой чудотворной иконы Божией Матери «Знамение».
18 мая 1861 года сильный пожар уничтожил значительную часть поселения, включая обе деревянные церкви. После этого было принято решение о строительстве каменного храма на месте сгоревшей Знаменской церкви. В 1859 году, на средства заводовладельцев Стенбок-Фермор, началось возведение нового каменного храма, который был освящён 22 ноября 1876 года в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение».
Архитектурно храм выполнен в псевдорусском стиле, характерном для середины XIX века. Основу композиции составляет четверик, перекрытый крупным куполом на гранёном световом барабане. По сторонам от центрального барабана расположены малые декоративные барабанчики с главками. С востока к храму примыкает прямоугольная в плане апсида, а с запада — трапезная и двухъярусная колокольня, завершённая шпилем. Фасады украшены арочными окнами с фигурными наличниками и зубчатым карнизом, углы здания подчёркнуты пилястрами.
Особую ценность представляет чудотворная икона Божией Матери «Знамение», именуемая «Верхнетагильской». Согласно преданию, икона была обретена в первой половине XVIII века и первоначально находилась в Невьянске, а затем была перенесена в Верхний Тагил. После пожара 1861 года, в котором деревянный храм был уничтожен, икона чудесным образом осталась невредимой и впоследствии была помещена в новый каменный храм.
