В 1848 году жители выбрали для строительства храма самую высокую точку на Верхнем Кыштыме, откуда открывался живописный вид на усадьбу заводчиков, Верхне-Кыштымский пруд и вершины Сугомака и Егозы. Новый храм строили с размахом: в 1857 году, к столетию Кыштыма, была возведена колокольня высотой 71 метр, а двухэтажное здание площадью 2000 квадратных метров увенчал главный купол высотой 50 метров. Нижний этаж задумывался как зимний, отапливаемый, рассказывает настоятель храма Рождества Христова протоиерей Иоанн Сухов. Раньше здесь стояли печи, и богослужения проводились с осени, начиная с праздника Покрова Пресвятой Богородицы, и до поздней весны, до праздника святителя Николая Чудотворца. Второй этаж предназначался для летних служб. Верхний апартамент считался «изюминкой» храма, имел просторный зал и великолепную акустику. Говорят, что придел строился по пропорциям Исаакиевского собора в Петербурге. Имя архитектора установить не удалось, но есть предположение, что к проекту был косвенно причастен Константин Тон, основоположник русско-византийского стиля, строивший Храм Христа Спасителя. В то время архитектор пользовался благосклонностью императора Николая I, а его чертежи рекомендовали епархиям как типовые. На местах проекты творчески перерабатывались. Итог этого осмысления превзошел все ожидания. Храм Рождества Христова был и остается самым величественным в Кыштымском округе, соперничая лишь с храмом Вознесения Господня в Каслях.

Епископ Екатеринбургский и Ирбитский Митрофан отмечал великолепие внешнего вида храма. «Высокие многоколонные стены, покрашенные белой известью, вместе с многочисленными блестящими окнами и огромными железными вратами устремлены ввысь. Посеребренные неярким октябрьским солнцем купола с большими крестами над колокольней словно парили над поселком. Прочная высокая чугунная ограда на каменном фундаменте, солидные ворота с западной и северной сторон, маленькие иконы над воротами, все это внушало прохожим радостное чувство и ощущение божьей благодати».

В отличие от строительства, внутренняя роспись собора продвигалась медленнее: основательному храму требовалась тщательная отделка. Настенная роспись нижнего этажа была завершена лишь в 1902 году. Надписи, сделанные по окончании работ, свидетельствуют, что «стенная живопись святых картин и орнаменты исполнены Московской придворной художественной мастерской Якова Ефимовича Епанечникова», одного из известных московских мастеров, «поставщика двора Его Императорского Величества». На втором этаже тоже установили иконостас, все было достаточно благочинно, но без такой торжественности, как внизу. Расписать верхний придел до революции не успели. После революции храм пережил немало испытаний. В 1935 году он был закрыт. Чудом сохранились росписи и орнаменты нижнего предела. Часть икон прихожане уносили с собой, чтобы спрятать от поругания, а на волне большевистского богоборчества над росписями святых издевались: выковыривали глаза, отбивали штукатурку, заливали краской.

Существует городская легенда, что когда было решено сбросить колокола, горком партии «призвал» девять молодых ребят с механического завода выполнить эту работу. Они справились, и колокола упали на землю. Но потом все девять человек быстро ушли из жизни: кто-то спился, кто-то покончил с собой, а один отправился за грибами в лес и не вернулся. Родные искали его три года, но безрезультатно. Храм Рождества Христова от забвения «спасла» Великая Отечественная война и знаменитое обращение И. Сталина, «братья и сестры», церковное по своей сути. Становилось очевидным, что кроме любви к Отечеству оружием Победы становилось духовное единение вокруг православной церкви. В суровые дни войны собор был вновь освящен и в нем начались службы, которые больше уже не прерывались.

В 1990-е годы на колокольне храма были обновлены колокола, самый крупный из девяти был отлит в Воронеже. В начале лета 2016 года впервые за долгие годы в верхнем пределе прошли богослужения.