Вознесенский храм, построенный в каменном исполнении и имеющий три престола, выполнен в величественном византийском центрально-купольном стиле. Его проект разработал промышленный архитектор Э.Х-Г. Сарториус в 1842 году, а утверждение проекта произошло 16 марта 1843 года Пермским Гражданским Губернатором. О начале строительства свидетельствует чугунная плита под престолом Ильинского алтаря, на которой написано, что храм был заложен 22 июня 1848 года Архиепископом Аркадием Пермским и Верхотурским в царствование Императора Николая Павловича.

Средства на строительство поступали от жителей Каслинского завода, которые ежемесячно отчисляли рубль из своей зарплаты. Изначально был завершён Ильинский предел, освящённый в 1852 году. В документе об этом говорится, что освящение произошло 2 июня по благословению Архиепископа Неофита Пермского и Верхотурского. Присутствовали благочинный священник Алексей Сладчинский и представители местной знати.

Вознесенский и Харлампиевский пределы были завершены к 1855 году. На чугунной плите под престолом Вознесенского храма указано, что жертвенник был освящён 1 июля 1855 года Архиепископом Неофитом в царствование Александра Второго. В этом участвовали протоиерей Михаил Бирюков и другие священнослужители, а также строители Михаил Дунаев, Андрей Трутнев и Тимофей Свистунов.

В марте 1930 года все церкви в Каслях были закрыты, а их здания использовались как клубы, мастерские и амбулатории. Воскресенская церковь стала клубом и складом для зерна. В 1943 году храм был возвращён верующим и вновь освящён, с тех пор он функционирует без перерывов.

В 1977 году московские художники воссоздали иконостас главного алтаря, а в 1989 году на колокольню подняли новые колокола, отлитые в Воронеже. С 1998 года началась реставрация куполов и колокольни, а с 2000 года, ремонт кровли и стен.

5 июля 2017 года в Каслях состоялось важное событие: митрополит Челябинский и Миасский Никодим освятил новый купол и крест храма. В церемонии участвовали духовенство Каслинско-Снежинского округа и настоятель храма. После освящения золотой купол с крестом был установлен на храм.

Несколько месяцев до этого было решено заменить центральный купол. Работы длились год и включали в себя изготовление конструкции диаметром 11 метров и весом 15 тонн. Купол был покрыт нитридом титана, придающим ему золотой цвет и прочность. Процессом наблюдал весь город, а работы выполняла челябинская фирма «Благострой». Средства на строительство собирали всем миром, как и в старину.