Первый деревянный храм во имя святых апостолов Петра и Павла в посёлке Нейво-Шайтанский (изначально именовавшемся Сусанский завод) был построен в 1750 году. Освящение состоялось в 1754 году. Храм возводился при чугуноплавильном заводе, основанном промышленником Саввой Яковлевым. Посёлок получил название от рек Нейвы и Шайтанки, при слиянии которых он был основан. В конце XVIII века деревянная церковь была уничтожена пожаром, возникшим от удара молнии.
Каменный двухпрестольный храм на месте сгоревшего был заложен в 1797 году на средства заводовладельцев Яковлевых. Строительство велось поэтапно: в 1812 году был освящён правый придел в честь Введения во храм Пресвятой Богородицы, а главный престол во имя апостолов Петра и Павла — в 1821 году. Архитектура храма выполнена в стиле уральского барокко, с характерными для этого направления элементами декора.
В 1871-1878 годах к храму был пристроен третий придел, освящённый во имя святого благоверного князя Александра Невского. К 1881 году завершились работы по внутренней отделке: стены были расписаны фресками в стиле древнерусской живописи, а в главном храме установлен пятиярусный иконостас с позолоченной резьбой. Среди особо чтимых икон храма отмечались образ Божией Матери «Почаевская», написанный в Николаевском монастыре города Туринска, и икона Божией Матери «Афонская», созданная в Андреевском скиту на Афоне.
В 1936 году храм был закрыт советскими властями, здание использовалось как зернохранилище. В 1947 году, в период временного ослабления антирелигиозной политики, храм был возвращён верующим, но в 1962 году вновь закрыт и переоборудован под детский сад. В 1990 году в посёлке была воссоздана православная община, а в 1995 году здание храма официально возвращено Русской Православной Церкви. Начались восстановительные работы, в ходе которых был воссоздан исторический облик храма.
В 2002 году Священный Синод Русской Православной Церкви причислил к лику святых новомучеников Российских диакона Константина Попова, служившего в Петропавловском храме с 1892 по 1918 год. В 1918 году он был рукоположен в священники и вскоре принял мученическую смерть от рук красноармейцев.