Первые жители Шайтанского завода были старообрядцами, бежавшими из центральных губерний России, как отмечает А.А. Топорков. Это утверждение не вызывает сомнений. На строительство завода в Шайтан-логу приказчики Демидовых набирали людей из московских и нижегородских деревень. В то время на старообрядцев оказывалось давление: их преследовали, облагали двойными налогами. Чтобы избежать этих притеснений и преследований со стороны церкви, крестьяне охотно шли работать на заводы Н.Н. Демидова.

Старообрядцы, или раскольники, отказались принять церковные реформы патриарха Никона в середине XVII века. Их общины возникали в Поморье, Прибалтике, Польше, на Дону, а также на Урале и в Сибири. В начале XVIII века крупным центром стал Кирженец в Нижегородском крае. Оттуда, после массовых репрессий в начале 1720-х годов, крестьяне тысячами переселялись на Урал.

В Шайтанском заводе активно действовал старообрядец Авдий Наботов, что вызывало недовольство православных. Когда в Шайтанке появился приказчик Сергинских заводов Пётр Петров-Большой Блинов, рабочие стали жаловаться на Наботова, который подкупал старообрядцев. Чтобы укрепить православие, Блинов обратился к митрополиту Антонию с просьбой разрешить строительство церкви в Шайтанском заводе. Демидовы обязались построить храм за свой счёт.

Духовное правление направило в Шайтанский завод протопопа Василия Калиновского, который 28 августа 1748 года заложил первую деревянную церковь. Она была построена за год и располагалась на левом берегу заводского пруда. Церковь имела резной иконостас и пять колоколов. Евдоким Демидов обеспечил содержание священнослужителей.

Первоначально требы исполнял священник Алексей Иванов, затем в 1752 году назначили Ермилу Лаврентьева. Вскоре его сменил Павел Агафонов, который боролся с Наботовым. С постройкой церкви старообрядцы начали обращаться в православие, но Наботов помогал им скрываться в других деревнях.

В декабре 1752 года Павел Агафонов был назначен священником Петропавловской церкви, а Ермила Лаврентьева перевели в Верхнесергинский завод. Агафонов служил до 1762 года, после чего его сменил Фёдор Комаров. Комаров столкнулся с противодействием Наботова и был избит. В 1763 году его обвинили в обмане прихожан, но консистория признала его невиновным и перевела в Екатеринбург.

В 1764 году Павел Агафонов вернулся в Шайтанку, но в 1774 году оказался в сложной ситуации из-за крестьянской войны под предводительством Емельяна Пугачёва. В январе 1774 года в Шайтанский завод пришёл отряд Ивана Белобородова, и Агафонов приветствовал его. Однако в феврале отряд был разгромлен, и Агафонов был отстранён от служения.

После ареста Агафонова Шайтанка оставалась без священника до 1776 года, когда прибыл Иоанн Алексеев. Он служил до 1787 года, после чего был отправлен в Верхотурский монастырь. В 1790 году в Шайтанку прибыл Иоанн Сапожников, а с 1807 по 1815 год служил Алексей Осипов.

После ухода пугачёвцев церковь пришла в упадок, но староста Алексей Попов заботился о её сохранении. С 1816 по 1829 год церковью руководил Михаил Алексеев. В 1820 году пожар уничтожил деревянную церковь, но благодаря помощи заводовладельца Ярцева была построена новая каменная церковь.

Церковь была освящена в 1822 году и имела три престола. В конце XIX века в ней хранились уникальные предметы старины. В 1922 году, в период изъятия церковных ценностей, из Петропавловской церкви было изъято 23 килограмма серебра. В 1930 году церковь закрыли, а затем разрушили. В здании открыли столовую, кинотеатр и музей.