В 1702 году, по указу Петра I, Никита Демидов получил предписание построить при заводе церковь, школу и больницу. В результате, на территории завода была возведена деревянная трёхпрестольная церковь: главный престол во имя Преображения Господня, правый придел во имя Успения Божией Матери и левый придел во имя святых апостолов Петра и Павла. Главный храм был освящён в 1710 году, а приделы — в 1712 году.
К началу XIX века деревянная церковь уже не вмещала всех прихожан, что обусловило необходимость строительства нового каменного храма. В 1824 году епископ Пермский Дионисий выдал разрешение на строительство каменной приходской церкви. Закладка нового храма состоялась 10 августа 1824 года в непосредственной близости от Невьянской наклонной башни. В 1826 году старая деревянная церковь сгорела, что ускорило строительство нового храма.
20 марта 1827 года был освящён южный придел во имя Успения Пресвятой Богородицы, 21 июня 1830 года — северный придел во имя апостолов Петра и Павла, а 23 июня того же года — главный храм во имя Преображения Господня. В период с 1851 по 1861 годы к храму были пристроены трапезная и колокольня. В трапезной части были устроены два придела: во имя святого Архистратига Михаила, освящённый в 1864 году, и во имя преподобного Саввы Освященного и Николая Чудотворца, освящённый в 1865 году.
Архитектурно собор выполнен в стиле русского классицизма. Первоначально здание представляло собой пятиглавый храм на квадратном в плане объёме, украшенном шестиколонными портиками дорического ордера с фронтонами. Венчает храм крупный центральный купол на светлом барабане и четыре малых купола на цилиндрических подиумах по углам. Пристроенные в середине XIX века трапезная и колокольня выполнены с использованием тех же декоративных приёмов, что и основной храм. Высота колокольни со шпилем составляет 64 метра.
