Первый храм в Петропавловском заводе, нынешнем Североуральске, был деревянным. Вот как о нем говорится в старинном документе: «Построен из брёвен, в длину семь саженей два аршина, ширина три сажени два аршина, высота до крыши три сажени, крыт тонким тесом в два ряда, было 11 окон со ставнями, крыльцо деревянное, одни двери».
В 1787 году на средства Максима Походяшина в Петропавловском заводе был заложен двухэтажный каменный храм. Нижний придел его был освящён в честь Казанской Иконы Божьей Матери, а верхний, в 1798 году — в честь Святых Первоверховных Апостолов Петра и Павла.
Внутри храм несколько раз обновлялся, однако снаружи оставался в первоначальном виде. Лишь в 1893 году к нему пристроили крытое крыльцо, а территорию обнесли каменной оградой с чугунной, декоративного литья решёткой, заказанной на Каслинском заводе художественного литья.
Последний раз колокольный звон Петро-Павловского храма прозвучал весной 1929 года. Потом большевики сбросили главный колокол, утварь и иконы реквизировали и вывезли в Серов, где их следы потерялись.
В годы Великой Отечественной войны в молитвенном помещении было устроено общежитие на 600 мест для людей, мобилизованных на строительство новых шахт. В церковном здании соорудили трёхъярусные нары, поставили железные печки — «буржуйки». Новые «хозяева» наделали новых дыр в стенах и полах, закоптили своды, загадили церковную ограду. После войны в храме размещались различные склады, конторы, мастерские, клуб Петропавловского леспромхоза, и даже мастерская по изготовлению гробов. Внешний вид Петро-Павловского храма за годы безбожной власти сильно пострадал. Стены его были обшарпаны, выщерблены, избиты; разобрана кирпичная кладка; сожжен главный шпиль колокольни.
Движение горожан за восстановление храма началось в 70-е годы XX века. 11 марта 1976 года исполком городского Совета Североуральска принял решение о начале работ по реставрации памятника архитектуры XVIII века — Петро-Павловской церкви. В это же время среди горожан был объявлен сбор средств в фонд реставрации церкви.
В 1988 году Петро-Павловский храм был передан вновь образованной православной общине. Помогли прихожанам в возрождении храма многие городские предприятия — завод ЖБИ, деревообрабатывающий цех, трест «Бокситстрой», «Жилстрой», автобаза 9 и другие.
Освящение восстанавливаемого храма состоялось 26 октября 1989 года. В этот день в храме состоялась первая после долгих десятилетий Божественная литургия. Начались регулярные богослужения, но реставрация церковного здания продолжалась. В 1990-1991 годах на колокольне установили титановый шпиль с крестом на верху деревянные купола, покрытые кровельным железом, 7 колоколов.
