Храм во имя преподобного Сергия Радонежского в Нижнем Тагиле был заложен 25 сентября 2000 года по инициативе руководства Нижнетагильского металлургического комбината. Чин закладки совершил Патриарх Московский и всея Руси Алексий II в ходе визита на Урал. В церемонии участвовали губернатор Свердловской области Э.Э. Россель, глава города Н.Н. Диденко и генеральный директор НТМК С.К. Носов.
Проект храма разработала екатеринбургская проектно-реставрационная мастерская «Терем» под руководством архитектора В.И. Симиненко. В основу архитектурного решения легли элементы храма-усыпальницы Демидовых в районе Выя (XIX век) и Александро-Невского собора на Старой Гальянке (1862 год). Строительные работы выполнялись трестом «Тагилстрой» с 2001 по 2004 год при финансировании НТМК и ЕвразХолдинга.
25 сентября 2003 года состоялось освящение крестов и куполов храма, которое совершил архиепископ Екатеринбургский и Верхотурский Викентий. Великое освящение храма прошло 22 октября 2004 года при участии трех архиереев: архиепископа Викентия, епископа Сергиево-Посадского Феогноста и епископа Брянского и Севского Феофилакта. Из Троице-Сергиевой Лавры была привезена икона с частицей мощей преподобного Сергия.
Храм представляет собой пятикупольное крестово-купольное сооружение высотой 36 метров с 40-метровой колокольней. Здание рассчитано на 800 человек и включает цокольный этаж с крестильней. Одиннадцать колоколов отлиты на предприятии «Пятков и К» в Каменск-Уральском. Росписи выполнены московскими художниками под руководством В.Ф. Павлова. Иконостас создан вятскими мастерами.