Строительство храма было инициировано владельцем Невьянского и Быньговского заводов Петром Саввичем Яковлевым, который, согласно преданию, дал обет возвести храм в случае получения этих заводов в своё управление.После завершения раздела наследства в его пользу, он подал прошение в Святейший Синод, и 1 сентября 1788 года императрица Екатерина II подписала указ о строительстве каменной церкви во имя Святителя Николая Чудотворца.18 октября 1788 года архиепископ Тобольский и Сибирский Варлаам благословил закладку церкви, и в мае 1789 года начались строительные работы.Основной этап строительства был завершён в течение семи лет, и 30 сентября 1796 года храм был освящён.
Архитектурный облик храма сочетает элементы позднего барокко и раннего классицизма. Здание имеет форму креста с пятью главами и колокольней высотой 57 метров, на которой установлены часы-куранты, изготовленные мастерами Невьянского завода. В строительстве широко использовался чугун: фундамент усилен чугунными стульями весом до 300 пудов (около 5 тонн), оконные рамы, половые плиты, ступени и другие элементы также выполнены из этого материала.
Внутреннее убранство храма отличается богатым декором. Главный иконостас, созданный к моменту освящения храма, выполнен в барочном стиле с позолоченной резьбой. Иконы, написанные мастерами невьянской школы, отражают традиции древнерусской живописи и включают изображения уральских пейзажей и горнозаводских строений. В 1819 году был освящён северный придел во имя Успения Божией Матери, а в 1863 году — южный придел во имя Сретения Господня.
В 1852 году вокруг храма была возведена каменная ограда с тремя воротами. В период с 1857 по 1863 годы проводились реставрационные работы: обновлены крыша и стенная живопись, устроены новые печи, заменены оконные рамы, уложен новый чугунный пол, пристроены каменные крыльца. В результате этих работ храм стал тёплым, что позволило проводить богослужения в зимний период.
В советский период храм продолжал функционировать, хотя с 1939 по 1944 годы богослужения не проводились из-за отсутствия священника. В 1944 году храм был вновь открыт и освящён архиепископом Свердловским Варлаамом. В 1960 году постановлением Совета министров РСФСР храму присвоен статус памятника архитектуры федерального значения, а в 1995 году указом Президента Российской Федерации он включён в перечень объектов исторического и культурного наследия федерального значения.
