Согласно архивным материалам, каменному храму предшествовала ещё демидовская деревянная церковь Преображения Господня 1710 года.
Со временем деревянная церковь обветшала, да и приход увеличился, храм перестал вмещать всех прихожан, и Невьянское заводоуправление ходатайствовало перед епархиальной властью о разрешении соорудить новый, каменный храм. Строили его на средства заводовладельцев Яковлевых, заложив 10 августа 1824 года в присутствии епископа Пермского и Екатеринбургского Дионисия при большом скоплении народа, в 75-80 метрах юго-восточнее деревянной церкви. (Старая деревянная церковь продолжала действовать вплоть до пожара 1826 года, уничтожившего её)
В 1827 году строительство основной части завершилось, в марте освятили один из приделов, и храм начал действовать. (Приделы освящались по мере завершения внутренних отделочных работ, т.к. их освящение происходило при обязательном наличии иконостаса и убранства алтаря – отсюда версия о том, что иконостасы нового храма изготавливались из деталей старых, деревянных иконостасов церкви, поскольку сроки строительства были очень сжатыми).
Возвели каменную Спасо-Преображенскую церковь в стиле позднего классицизма. Первоначально храм не имел колокольни – был квадратным в плане, одноэтажным, четырехстолпным, пятикупольным, с четырех сторон его украшали шестиколонные портики дорического ордера.
В подобном стиле строились тогда многие российские храмы. К сожалению, имя архитектора храма не установлено, но его высокий профессиональный уровень очевиден. Невьянские прихожане постоянно благоустраивали и украшали свою церковь.
Известны имена некоторых благотворителей, так, в 1850 году благодаря значительным организаторским усилиям и материальной помощи церковного старосты Якова Никитича Сухарева собрали средства для строительства при Преображенской церкви каменного притвора с колокольней (по О. Бухаркиной).
Работы шли около 10 лет и закончились в 1861 году. Пристроенные части были выстроены в том же классицистическом стиле, что и сам храм. Несколько приземистый, монументальный, он величественно смотрелся рядом с устремленной ввысь трехъярусной колокольней. В колокольне были использованы мотивы декоративного убранства наклонной башни: нижний ярус был построен в виде высокого четверика, разделенного выступающим карнизом на два яруса.
Стены среднего и верхнего ярусов были прорезаны полукруглыми арочными проемами, а покрывал 64–метровую колокольню купол, увенчанный высоким шпилем с крестом. Несмотря на бесспорную утрату изначального высокого уровня архитектурного облика, собор тем не менее улучшил пространственную организацию ансамбля.
Позднее возведенная в 1888 г. Александро – Невская часовня по оси западного фасада собора дополнила комплекс. А колокольня не подавила наклонную башню, а лишь обогатила силуэт города, воспринимаемый практически со всех сторон.