Село Николо-Павловское, первоначально именовавшееся Павловским, было основано в первой половине XIX века как поселение для крепостных крестьян, переселенных из Черниговской и Рязанской губерний по распоряжению владельцев Нижнетагильских заводов Демидовых. Название Павловское было дано в честь Павла Николаевича Демидова. До 1872 года жители поселения не имели собственного храма и посещали богослужения в церквях Нижнетагильского завода, Черноисточинска или села Воскресенского (Шиловка).
В 1871 году жители Павловского подали прошение о строительстве храма. Деревянная церковь была возведена в 1872 году из материалов, предоставленных Демидовыми, и освящена 3 декабря во имя Святителя Николая Чудотворца. С этого времени поселение получило название Николо-Павловское. Первый храм сгорел в январе 1883 года, после чего было принято решение о строительстве каменного здания.
Каменный трехпрестольный храм был заложен 1 сентября 1886 года. Главный престол во имя Святителя Николая освятили в 1893 году, приделы в честь Рождества Пресвятой Богородицы и Пророка Илии - в январе 1895 года. Храм построен в эклектичном стиле с элементами классицизма и древнерусского зодчества. В 1899 году территория была обнесена каменной оградой.
В 1930-е годы предпринимались попытки закрыть храм, однако активное сопротивление прихожан позволило сохранить его. По некоторым данным, в 1938-1943 годах богослужения не проводились, но церковное имущество не пострадало. В послевоенный период храм продолжал действовать, избежав закрытия в период хрущевских гонений на Церковь.
Архитектурный облик храма сохранился без существенных изменений. В интерьере уцелели элементы первоначального убранства: фрагменты настенной росписи, резной иконостас, исторические иконы и паникадило, привезенное из Нижнего Новгорода в конце XIX века. Храм является примером церковного зодчества Урала второй половины XIX века.