En 1848, les habitants ont choisi le point le plus élevé de Kyshtym pour construire l'église, d'où s'ouvrait une vue pittoresque sur le domaine des fondateurs, le réservoir de Kyshtym et les sommets de Sugomak et Egosa. La nouvelle église a été construite avec grandeur : en 1857, pour le centenaire de Kyshtym, un clocher de 71 mètres de haut a été érigé, et un bâtiment de deux étages de 2000 mètres carrés a été couronné par un dôme principal de 50 mètres de haut. Le rez-de-chaussée était prévu comme un hiver, chauffé, raconte le prêtre de la cathédrale de la Nativité du Christ, le père Ioann Soukhov. Auparavant, des poêles y étaient installées, et les services religieux avaient lieu de l'automne, à partir de la fête de la Protection de la Vierge Marie, jusqu'au printemps tardif, jusqu'à la fête de saint Nicolas le Miracle. Le deuxième étage était destiné aux services d'été. L'appartement supérieur était considéré comme la « cerise sur le gâteau » de l'église, avec une salle spacieuse et une acoustique magnifique. On dit que la chapelle a été construite selon les proportions de la cathédrale Saint-Isaac à Saint-Pétersbourg. Le nom de l'architecte n'a pas pu être établi, mais il est supposé que Konstantin Ton, le fondateur du style russo-byzantin, qui a construit la cathédrale du Christ Sauveur, était indirectement impliqué dans le projet. À l'époque, l'architecte jouissait de la faveur de l'empereur Nicolas Ier, et ses dessins étaient recommandés aux diocèses comme modèles. Sur place, les projets étaient retravaillés de manière créative. Le résultat de cette réflexion a dépassé toutes les attentes. La cathédrale de la Nativité du Christ était et reste la plus majestueuse du district de Kyshtym, ne rivalisant qu'avec l'église de l'Ascension du Seigneur à Kasyli.

L'évêque d'Ekaterinbourg et d'Irbit, Mitrophane, a souligné la magnificence de l'apparence extérieure de l'église. « Les hautes murs à colonnes, peints à la chaux blanche, avec de nombreuses fenêtres brillantes et d'énormes portes en fer, s'élèvent vers le ciel. Les dômes argentés sous le doux soleil d'octobre avec de grandes croix au-dessus du clocher semblaient flotter au-dessus du village. Une solide clôture en fonte sur un socle en pierre, des portes imposantes du côté ouest et nord, de petites icônes au-dessus des portes, tout cela inspirait aux passants un sentiment de joie et de grâce divine. »

Contrairement à la construction, la décoration intérieure de la cathédrale avançait plus lentement : l'église imposante nécessitait une finition soignée. La peinture murale du rez-de-chaussée n'a été achevée qu'en 1902. Les inscriptions faites à la fin des travaux témoignent que « la peinture murale des saints et des ornements a été réalisée par l'atelier artistique de la cour de Moscou de Yakov Efimovich Epanechnikov », l'un des célèbres maîtres moscovites, « fournisseur de la cour de Son Impérial Majesté ». Au deuxième étage, un iconostase a également été installé, tout était assez pieux, mais sans la même solennité qu'en bas. La peinture de la chapelle supérieure n'a pas pu être achevée avant la révolution. Après la révolution, l'église a traversé de nombreuses épreuves. En 1935, elle a été fermée. Les peintures et ornements du plafond inférieur ont miraculeusement survécu. Une partie des icônes a été emportée par les paroissiens pour les cacher de la profanation, et sur la vague de l'athéisme bolchevique, les peintures des saints ont été maltraitées : les yeux ont été crevés, le plâtre a été enlevé, et de la peinture a été versée.

Il existe une légende urbaine selon laquelle, lorsque la décision de jeter les cloches a été prise, le comité du parti a « appelé » neuf jeunes hommes d'une usine mécanique pour effectuer ce travail. Ils ont réussi, et les cloches sont tombées au sol. Mais ensuite, tous les neuf sont rapidement partis de la vie : certains sont tombés dans l'alcoolisme, d'autres se sont suicidés, et l'un est parti chercher des champignons dans la forêt et n'est jamais revenu. Ses proches l'ont cherché pendant trois ans, mais en vain. La cathédrale de la Nativité du Christ a été « sauvée » de l'oubli par la Grande Guerre Patriotique et le célèbre appel de I. Staline, « frères et sœurs », qui était en essence ecclésiastique. Il devenait évident qu'en plus de l'amour pour la patrie, l'unité spirituelle autour de l'église orthodoxe devenait l'arme de la victoire. Dans les jours difficiles de la guerre, la cathédrale a été à nouveau consacrée et des services ont commencé, qui ne furent plus interrompus.

Dans les années 1990, les cloches de la cathédrale ont été renouvelées, la plus grande des neuf a été fondue à Voronej. Au début de l'été 2016, pour la première fois depuis de nombreuses années, des services ont eu lieu dans la chapelle supérieure.