Первоначально на этом месте находилась деревянная Никольская церковь, построенная в 1712 году по благословению митрополита Тобольского Иоанна. Она была возведена для духовного окормления работников Уктусского металлургического завода и жителей окрестных поселений. В 1807 году деревянный храм сгорел в результате пожара.
В 1808 году, по благословению епископа Пермского Иустина, началось строительство каменного храма на месте сгоревшей церкви. Новый храм был одноэтажным с разделением на тёплую и холодную части. В тёплой части на южной стороне был устроен придел в честь явления Казанской иконы Божией Матери, на северной стороне — придел во имя святителя Николая. Главный престол был освящён во имя Преображения Господня в 1821 году, южный придел — 3 января 1809 года, северный — 21 апреля 1830 года.
К середине XIX века, в связи с увеличением числа прихожан, возникла необходимость расширения храма. 12 мая 1863 года были заложены новые приделы с обеих сторон храма. Казанский придел был освящён 27 сентября 1864 года, а Никольский — 30 апреля 1867 года.
В 1937 году храм был закрыт, а в 1938 году здание передано шиномонтажному тресту. С начала Великой Отечественной войны в здании разместился эвакуированный Московский завод резинотехнических и эбонитовых изделий. В этот период здание храма подверглось значительным изменениям: были утрачены купола и верхние ярусы колокольни.
В 1993 году архиепископ Екатеринбургский и Верхотурский Мелхиседек благословил организацию православной общины и восстановление храма. В 1995 году начались восстановительные работы, и к престольному празднику Преображения Господня здание было полностью передано верующим. В 2000 году был установлен главный купол храма, а в 2001 году — построена новая колокольня, что позволило храму приобрести свой исторический облик. В 2003 году была благоустроена территория храма, построена привратная и металлическая ограда со стороны улицы Походной. В 2007 году завершено строительство дома церковного причта, в котором разместились церковная лавка, библиотека, трапезная, просфорная и административные помещения прихода. В 2011 году на территории храма была заложена часовня в честь 14 тысяч младенцев, от Ирода в Вифлееме избиенных, освящённая в 2013 году.
