В 1859 году на средства заводовладельцев Стенбок-Фермор была заложена каменная однопрестольная Знаменская церковь. Её освятили в честь иконы Пресвятой Богородицы «Знамение» 22 ноября 1876 года. В советское время храм не закрывался. В церкви хранится святыня православной церкви, чудотворная икона Пресвятой Богородицы «Знамение-Верхнетагильская», известная своими исцелениями.

Согласно преданию, чудотворная икона Божией Матери «Знамение» находится в Знаменской церкви Верхнего Тагила с момента её открытия в 1753 году, когда церковь была ещё деревянной. Этот образ очень почитаем среди православных верующих Среднего Урала. Икона размещена у левого клироса на аналое под стеклом и украшена драгоценными дарами от благодарных верующих, получивших исцеление по молитвам к Пресвятой Богородице.

Иконография Богоматери изображает её с воздетыми в молитве руками, а на груди, в медальоне, изображён Богомладенец, благословляющий правой рукой и держащий свиток в левой. С правой стороны от лика Богоматери изображён херувим, а с левой, серафим. До 1922 года икона была украшена серебряной позолоченной ризой с драгоценными камнями, которая впоследствии исчезла.

Святой образ, явившийся в 1709 году, принадлежал местному жителю Савве Медведеву до 1753 года, после чего был передан в новый Верхнетагильский Знаменский храм. Этот храм сгорел 18 мая 1861 года, но икона Пресвятой Богородицы осталась невредимой и в 1876 году была перенесена в новый каменный храм, где находится и сейчас. Особое почитание иконы подтверждают крестные ходы, которые собирали множество верующих и проводились всё лето. Эти ходы с чудотворной иконой продолжались до конца 1920-х годов, пока не прекратились с приходом советской власти.

С чудотворной иконы Божией Матери «Знамение-Верхнетагильской» было сделано много списков. Наиболее почитаемыми считаются Быньговский список, находящийся в Никольской церкви села Быньги Невьянского района, и Невьянский, который ранее находился в Преображенском соборе, а теперь, в Вознесенской церкви Невьянска.

В алтаре Верхнетагильской Знаменской церкви хранится рукопись начала XX века с записью устного предания о явлении и чудесах Верхнетагильской чудотворной иконы Божией Матери «Знамение». Копия этой рукописи находится в Верхнетагильском краеведческом музее.