В 1843 году Очёрский летописец Г.И. Каменских писал, что 6 октября в Павловском заводе началось строительство деревянной церкви, а её освящение состоялось 27 июня, в день святых Петра и Павла, совпадающий с именинами основателя завода Павла Александровича Строганова. Однако 1 мая 1861 года церковь сгорела из-за удара молнии.

В 1862 году церковь была восстановлена, и здание сохранилось до наших дней, хотя находится в аварийном состоянии и использовалось как заводской спортзал.

В начале XX века Оханское земство провело перепись в Павловске, выявив 2672 жителя. Старая церковь не могла вместить всех, поэтому было решено построить новый храм рядом с ней. Подрядчиком стал Александр Григорьевич Лузин, который весной 1900 года привёз из Нижнего Новгорода артель каменщиков. В Павловском заводе не было кирпичных домов, и артель наладила производство кирпича.

Все хозяйства посёлка обложили налогом в 1 рубль в год на строительство. Местные купцы и владельцы мастерских внесли значительные вклады, а сборщики подаяния отправились по городам и селениям Российской империи.

Работы шли в два этапа: два года изготавливали кирпич, затем год возводили стены. Храм был трёхпрестольным. В октябре 1914 года при большом стечении народа на куполах установили кресты, золочение которых проводилось на месте. Монтажные работы на высоте выполнял А.Г. Лузин. В течение трёх лет велись отделочные работы, заказывались иконы, изготавливались подсвечники и мебель. Местный столяр П.Ф. Деменев создал иконостас, а на колокольню подняли колокола, главный из которых весил 102 пуда.

К 29 июня 1917 года, ко дню основания церкви, состоятельные вкладчики предоставили утварь, облачение для священников и священные сосуды. Однако художественную роспись стен не удалось выполнить, так как пожертвования сократились из-за закрытия завода и отъезда многих жителей.

Декрет СНК от 5 февраля 1918 года «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» изменил обстановку. Религиозные чувства стали считаться пережитками прошлого. Движение обновленцев в 1922 году не улучшило ситуацию. Среди порвавших с церковью были и священнослужители, такие как Л.П. Анисимов и И.П. Соромотин.

В 1938 году церковь закрыли по решению поселкового совета. Иконы и книги в основном сожгли, колокола сняли. Большой колокол при падении повредил карниз и раскололся. В том же году кресты с куполов снимал сын строителя Григорий Лузин, что принесло ему много упрёков.

Почти 50 лет, до 1992 года, в церкви размещались мастерские ремесленного училища. В 50-е годы был сделан пристрой, исказивший её облик.

В 1992 году храм вернули верующим. Л.В. Челпанов принёс чудотворную икону «Неопалимая Купина», а художник А.С. Беляев отреставрировал икону «Снятие со креста», использовавшуюся в качестве перегородки.