В январе 1697 года в Москву поступило важное донесение от верхотурского воеводы Дмитрия Протасьева: на реке Нейве, в районе Уральских гор, была найдена железная руда. К донесению были приложены образцы руды. Это сообщение имело стратегическое значение и быстро привело к действиям. В 1697-1699 годах были изданы указы, предписывающие строительство новых железных заводов в Верхотурском уезде, на реках Тагил и Невья, где была обнаружена руда. В первой половине 1700 года началось создание металлургического производства на Невье, рядом с которым вырос рабочий посёлок. 4 марта 1702 года Пётр I подписал указ о передаче Невьянского производства мастеру Никите Демидову, владельцу завода в Туле. Демидов активно занялся созданием новых предприятий на Урале, и к началу 1720-х годов построил несколько железоделательных заводов, включая Быньговский завод в семи верстах от Невьянска. Дело отца продолжили его сыновья Акинфий и Прокофий. В 1769 году Прокофий Демидов продал завод в Быньгах и другие невьянские заводы коллежскому асессору Савве Яковлевичу Собакину, который позже сменил фамилию на Яковлев. После смерти Саввы Яковлева его наследство, включая Быньговский завод, перешло к старшему сыну Петру, который стал заказчиком строительства Никольского храма в Быньгах.

В конце XIX века у старосты Спасо-Преображенского собора Якова Сухарева хранилась копия предписания от 1788 года от Петра Саввича Яковлева управляющему Ивану Суслову о строительстве церкви в Быньгах. В предписании говорилось: “Если возможно, отлей в Быньгах церковь чугунную во имя Святителя Николая; если нет, построй храм, которому бы дивились”. Яков Сухарев также рассказывал, что Пётр Яковлев дал зарок построить храм в Быньгах, если ему достанутся Невьянские заводы. Для строительства храма требовалось благословение епархиального начальства, которое было получено 1 сентября 1788 года от епископа Тобольского и Сибирского Варлаама Петрова. Строительство началось 10 мая 1789 года. Имя архитектора неизвестно, но предполагается, что это был местный уральский зодчий. Храм сочетает в себе черты барокко и классицизма. К осени 1796 года строительство было завершено, и 15 сентября владыка Варлаам получил уведомление о завершении работ. Освящение церкви состоялось 24 января 1797 года.

Храм расположен в центре завода и имеет форму креста с пятью главами и колокольней. Архитектура выполнена в византийском стиле с множеством карнизов и лепных украшений. Вскоре после завершения строительства храм был расписан, но фрески не сохранились. В 1819 году, после освящения северного придела, храм разделили на тёплую и холодную части, установив остеклённую перегородку. Однако это нарушило температурный баланс в здании. К середине XIX века храм нуждался в ремонте: фрески и позолота поблекли, штукатурка отвалилась, полы деформировались. Реставрация началась в 1852 году. Были сооружены каменные крыльца, заменено кровельное железо, установлены печи, и храм стал полностью тёплым. В 1863 году был устроен южный придел в честь Сретения Господня в память об отмене крепостного права.

В декабре 1925 года в Русской Церкви возникло раскольничье движение, и Быньговский храм оказался в юрисдикции раскольников до его закрытия перед Великой Отечественной войной. Богослужения возобновились в середине 1940-х годов. В 1987 году настоятелем храма стал священник Виктор Зырянов, который начал восстановление обветшавшей церкви. В 1995 году храм был признан памятником архитектуры федерального значения. Восстановление началось в 2000-х годах благодаря благотворителям, включая Евгения Ройзмана. Храм, построенный в стиле, переходном от барокко к классицизму, имеет необычную планировку в виде креста с квадратом вокруг средокрестья. Архитектурные формы гармоничны и уравновешены. В описании церкви 1897 года отмечается её прочность и уникальность на Урале.