Первый храм в Петропавловском заводе, ныне известном как Североуральск, был деревянным. В старинных документах о нем говорится, что он был построен из бревен, имел длину семь саженей и два аршина, ширину три сажени и два аршина, а высота до крыши составляла три сажени. Крыша была покрыта тонким тесом в два ряда, имелось 11 окон со ставнями, деревянное крыльцо и одни двери.

В 1787 году на средства Максима Походяшина в Петропавловском заводе началось строительство двухэтажного каменного храма. Нижний придел был освящен в честь Казанской Иконы Божьей Матери, а верхний, в 1798 году, в честь Святых Первоверховных Апостолов Петра и Павла.

Внутреннее убранство храма неоднократно обновлялось, однако внешний вид оставался неизменным. Лишь в 1893 году к храму добавили крытое крыльцо и окружили территорию каменной оградой с чугунной решеткой, изготовленной на Каслинском заводе художественного литья.

Последний раз колокольный звон в Петро-Павловском храме прозвучал весной 1929 года. После этого большевики сбросили главный колокол, а утварь и иконы были реквизированы и отправлены в Серов, где их следы затерялись.

Во время Великой Отечественной войны в здании храма разместили общежитие на 600 мест для рабочих, мобилизованных на строительство шахт. Внутри установили трехъярусные нары и железные печки. Новые обитатели нанесли ущерб зданию, проделав дыры в стенах и полах, закоптив своды и повредив ограду. После войны храм использовался как склад, контора, мастерская, клуб и даже мастерская по изготовлению гробов. Внешний вид здания сильно пострадал: стены были повреждены, кирпичная кладка разобрана, а главный шпиль колокольни сожжен.

В 70-е годы XX века началось движение за восстановление храма. 11 марта 1976 года исполком городского Совета Североуральска принял решение о начале реставрации Петро-Павловской церкви, памятника архитектуры XVIII века. Горожане начали сбор средств на реставрацию.

В 1988 году храм был передан вновь образованной православной общине. В возрождении храма помогли многие городские предприятия, включая завод ЖБИ, деревообрабатывающий цех, трест "Бокситстрой", "Жилстрой", автобазу 9 и другие.

Освящение восстановленного храма состоялось 26 октября 1989 года, и в этот день прошла первая за долгие десятилетия Божественная литургия. Начались регулярные богослужения, хотя реставрация продолжалась. В 1990-1991 годах на колокольне установили титановый шпиль с крестом, деревянные купола, покрытые кровельным железом, и 7 колоколов.