В 1758 году Максим Походяшин приступил к строительству железоделательного и медеплавильного завода на реке Колонга, названного Петропавловским. Одновременно с заводом была построена деревянная церковь во имя апостолов Петра и Павла, которая располагалась на левом берегу реки Колонги. Однако после пожара храм стал непригоден для богослужений, что обусловило необходимость строительства нового каменного здания.
В 1767 году, с благословения Тобольского митрополита Павла, на средства Максима Походяшина был заложен фундамент двухэтажного каменного храма. Строительство затянулось на 30 лет из-за смерти Походяшина. Нижний этаж был завершен в 1787 году и освящен в честь Казанской иконы Божией Матери, а верхний этаж был освящен в 1798 году во имя святых апостолов Петра и Павла. Общая высота храма составляет 57,5 метра, длина — 37,81 метра, ширина — 12,25 метра.
Архитектурно храм представляет собой сочетание уральского барокко и провинциального классицизма середины XIX века. К барочным элементам относятся два первых яруса церкви, наружная отделка которых выполнена специальным фасонным кирпичом. Трехъярусная колокольня построена в классическом русском стиле и состоит из элементов «восьмерик на четверике».
В 1893 году к храму было пристроено крытое крыльцо, а территория обнесена каменной оградой с чугунной решеткой, изготовленной на Каслинском заводе художественного литья.
Весной 1929 года храм прекратил свою деятельность: главный колокол был сброшен, утварь и иконы реквизированы и безвозвратно утеряны. В последующие годы здание использовалось для различных нужд: в период Великой Отечественной войны в нем размещалось общежитие на 600 мест для мобилизованных на строительство новых шахт, затем — склады, конторы, мастерские, клуб Петропавловского леспромхоза и даже мастерская по изготовлению гробов.
В 1960 году храм был включен в список памятников культуры федерального значения. Несмотря на это, восстановительные работы начались лишь в конце 1980-х годов. 24 ноября 1988 года было принято решение о передаче храма верующим, и 26 октября 1989 года состоялось освящение первого этажа и первая литургия.
