Храм во имя преподобного Сергия Радонежского в Нижнем Тагиле был основан в конце XIX века. Первое упоминание о деревянной церкви на этом месте относится к 1885 году. Храм строился на средства местных купцов и промышленников, которые активно развивали металлургическое производство в регионе. В 1890 году церковь была освящена в честь одного из наиболее почитаемых русских святых – преподобного Сергия, игумена Радонежского.
В начале XX века приход насчитывал несколько сотен человек. В 1912 году началось строительство каменного здания храма, которое завершилось к 1916 году. Архитектурный облик храма выполнен в русско-византийском стиле, характерном для церковного зодчества того периода. Основной объем храма увенчан пятиглавием, а колокольня построена в три яруса.
В советский период, в 1929 году, храм был закрыт, а его здание использовалось под складские помещения. В 1943 году, после изменения государственной политики в отношении Русской Православной Церкви, храм был возвращен верующим. Реставрационные работы проводились в 1950-х годах, тогда же был восстановлен иконостас.
В 1980-х годах храм получил статус памятника архитектуры местного значения. В 1991 году, после распада СССР, началась масштабная реконструкция здания, включавшая восстановление фасадов и внутреннего убранства. В 2000-х годах при храме открылась воскресная школа и библиотека.
В настоящее время храм является действующим и относится к Нижнетагильской епархии Русской Православной Церкви. Богослужения совершаются регулярно, сохраняется традиционный устав служб. Архитектурный комплекс включает в себя основное здание храма, часовню и церковный дом.