В начале 1723 года на берегу реки Исети Вильгельм де Геннин начал строительство завода-крепости для переработки медной и железной руды. Согласно императорскому указу «новую крепость, которая построена в Угорской провинции при реке Исеть, и в ней заводы с разными фабрики и мануфактуры, назвали во име Екатеринбург, для памяти вечные роды и для вечной славы ея величества, всемилостивейшей государыни императрицы». Однако еще за почти два месяца до императорского указа, 1 октября 1723 года на левом берегу Исети, недалеко от плотины, священник Тобольского полка Иван Ефимов освятил закладку первой церкви строящегося завода в честь святой великомученицы Екатерины. «Вообще, всякий завод считался построенным, когда начинал действовать. Когда в плотине отпирали ларевые окна, и вода по ларям текла на колеса, и начинали бить боевые молоты.

Всякому было ясно, что из политических соображений такое событие в Екатеринбурге следует приурочить именно ко дню святой Екатерины — 24 ноября. 1 октября полковой священник Иван Ефимов освятил закладку Екатерининской церкви. 7 ноября запустили молоты. Так, история города началась с истории Храма.

С этого времени небесной покровительницей завода-крепости стала святая великомученица Екатерина, а день ее памяти — 7 декабря (24 ноября по старому стилю) — одним из главных праздников города, к которому приурочивались важнейшие события.

Первая Екатерининская церковь была деревянная и обветшала уже через 4 года после освящения, а с 1730 года уже подвергалась почти ежегодному серьезному ремонту.

Решение о строительстве каменной церкви в Екатеринбурге было принято Сенатом 5 июля 1732 г. в ответ на представление В.  де Геннина (после снятия в 1729 г. запрета на городское каменное строительство в связи с мобилизацией сил и средств на Петербург)). В 1743 году архитектор Иоган Вернер Мюллер даже получил заказ спроектировать здание нового каменного храма, а в 1746 году была  составлена и отослана в Берг-коллегию смета на его возведение, однако  в силу разных причин само строительство откладывалось.

26 сентября 1747 года мазанковая церковь была уничтожена пожаром, что конечно сдвинуло дело строительства каменной церкви с мертвой точки. Наконец, во второй половине XVIII века по проекту талантливого екатеринбургского чертежника А. Кичигина (здание по проекту Мюллера уже не смогло  бы вместить всех желающих, поскольку город динамично развивался и население его росло) был построен великолепный каменный собор во имя святой Екатерины, который являлся главным символом города вплоть до 30-х гг. ХХ века. Церковная колокольня выполняла также и светскую функцию: на ней были часы с курантами, чтобы рабочий люд мог ориентироваться во времени.

В 1761 году было принято решение о создании под колокольней придела в честь новоканонизированного святого — святителя Димитрия Ростовского. В 1834 году придел Димитрия Ростовского был перестроен, расширен и в июне освящен в честь Святой Троицы.

Летом — осенью (22 июля и 23 сентября) 1763 года протоиереем Феодором Кочневым, с благословения митрополита Тобольского и Сибирского Павла, был освящен северный (во имя первомученика архидиакона Стефана) и южный (во имя апостола Иоанна Богослова) пределы. Освящение главного предела многолюдном стечении народа состоялось 22 сентября 1768 года. Торжественное богослужение совершил возглавлявший тогда Екатеринбургское духовное правление протоиерей Феодор Кочнев.

Начиная с первой половины XIX века горный собор неоднократно перестраивался и утратил свой первозданный облик (необходимость изменений диктовалась активной жизнью прихода). В ходе реконструкции, проводимой известным архитектором М. П. Малаховым, боковые приделы были продлены в направлении колокольни и надстроены до двух этажей. Таким образом, пристрои вышли за первоначальную линию фасада, внутри них были сооружены новые широкие лестницы на второй этаж. Из-за перестроек храм утратил первоначальную стройность, фасад его стал немного громоздким и уже не гармонировал с тонким шпилем колокольни. Кроме того, к зданию были добавлены излюбленные Малаховым классицистические портики, что также отчасти нарушило единство его стиля.

Главной святыней храма была часть мощей святого праведного Симеона Верхотурского. Потому дни памяти праведного Симеона собирали здесь огромное количество молящихся.

Екатерининская церковь считалась как бы «ведомственной» для всех горных служащих (что фиксировалось и в названии собора «горный»), так именно в ней давали присягу горные инженеры. А с XIX века — по просьбе военного начальства — и новобранцы. За правым клиросом главного храма хранилось знамя, пожалованное императором Александром II Уральскому горнозаводскому батальону 1 января 1861 года в связи с его столетием. Очевидно, свое начало этот батальон берет от 10-й Екатеринбургской горной роты. Ее ядро составляли «потомственные» солдаты, причем некоторые из них были внуками первых строителей города — солдат Тобольского полка. И, конечно,  сюда  в Екатерининскую церковь по воскресным и праздничным дням приходили многие заводчане и жители города. Екатеринбургские купцы, золотопромышленники, видные общественные деятели и рядовые обыватели активно участвовали в приходской жизни храма. Так, в 80-е — начале 90-х годов XIX века в Екатерининском соборе крестили своих детей многие известные екатеринбуржцы, например, горный инженер А. А. Иосса, чиновник Екатеринбургского окружного суда Д. М. Павлинов, потомственный дворянин С. И. Герц, купцы В. П. Злоказов и П. А. Подвинцев. В то же время в церковных документах встречаются просьбы о выдаче справок из метрических книг и от бывших солдат Екатеринбургского горнозаводского батальона и простых городских обывателей.

Многие известные в городе люди сочетались браком в Екатерининском соборе. Так, в 1872 году венчались подданный Великобритании инженер-механик Джон Томас Вилькинсон и дочь коллежского секретаря, Д. Ф. Пономарева, в 1875 году — коллежский секретарь П. М. Вологодский и дочь статского советника, А. И. Нейберг, в 1880 году — екатеринбургский уездный врач В. С. Буйницкий и дочь действительного статского советника, Е. И. Иванова, в 1884 году — дворянин А. П. Лодыженский и дочь фельдшера, А. Н. Катаева, в 1886 году — врач В. А. Падучев и дочь потомственного почетного гражданина, А. И. Баландина.

Большое значение для городского образования имели школы в разное время функционировавшие при соборе. Примерно с 1824 года и до середины XIX века при Екатерининском соборе функционировало двухлетнее приходское училище, которое представляло собой первую ступень системы духовного образования, готовящее к учебе в уездном духовном училище.

В 1887 году при храме была открыта мужская церковно-приходская школа, в которой обучалось до 60 мальчиков, а в 1894 году — женская, на 65 девочек. Всего в 1908 году в школе обучалось 174 человека. Церковное образование в дореволюционной России не только давало знания по Закону Божию, но по целому ряду светских дисциплин, учило считать, читать, писать, давая начальное образование широкому кругу горожан.

Определенную роль в образовательной среде города играла приходская библиотека. Согласно описи 1920 года, в ней числилось 1237 книг.

В 1894 году было создано Екатерининское церковно-приходское попечительство. Главной задачей попечительства являлась поддержка развития школьного образования, в том числе через назначение ежегодного пособия для увеличения жалованья учителям.

В начале XX века женщины стали создавать свои приходские обще­ственные организации, получившие названия «сестрические братства» или «сестричества». Подобная организация была создана и в Екатерининском приходе. К сожалению, сохранилось только одно упоминание о ней — это надпись на иконе святой Екатерины, подаренной Екатерининскому собору 1 (14) октября 1923 года по случаю 200-летия храма. Дар был сделан от церковно-религиозной общины, совета (т.е. руководства общины) и сестричества  (т.е. Екатерининское сестричество продолжало существовать и в первые годы советской власти). Видимо, по своим функциям оно частично заменило попечительство, переставшее действовать с началом гражданской войны.

Чтобы  получить представление о круге деятельности Екатерининского сестричества, можно обратиться к уставу Крестовоздвиженского сестрического братства. Такие организации объединяли благочестивых женщин не моложе 18 лет. Их целями было поддержание чистоты и благолепия своего приходского храма, помощь бедным, погребение безродных неимущих и «доброе влияние на приход путем личного примера, слова и бесплатного распространения в народе листков и брошюр религиозно-нравственного содержания». Как правило, сестричествами руководили приходские священники. До начала деятельности земств (70-е годы XIX века) приходские церкви были едва ли не единственными просветительскими центрами по распространению элементарных медицинских знаний. Причем так было не только в сельской местности, но и в заводских поселках и в городах.

Сейчас, даже трудно себе представить, что в Екатеринбурге в конце 70-х годов XIX столетия женщины не хотели прибегать к услугам городского родильного дома, который был основан доктором Петровым в 1876 году, а затем перешел в ведение «градского общества» и уездного земства. И здесь врачи очень рассчитывали на просветительскую помощь духовенства Екатерининского собора, ссылаясь на то, что ему более чем кому-либо известны, нужны населения.

После революции собор разделил участь российского общества и Церкви. Вспышка активности прихожан начала 20-х годов XX века была сначала подавлена жесткость советского законодательства, бесцеремонным изъятием церковных ценностей (якобы для голодающих), под давлением советской власти храм был передан инспирированными ОГПУ «обновленческому расколу». Униженный, но не сломленный, храм продолжал действовать. Однако пережить советской культурной революции, как часть российского общества, русской культуры и науки он не смог.

В 1930 году в период активной антирелигиозной кампании собор Святой Екатерины был снесён, освободив место для здания УралОбкома ВКП(б) и фонтана «Каменный цветок» (его открыли в сентябре 1960 года (архитектор Петр Дмитриевич Деминцев), которые вместе с небольшим сквером до сих пор находится на месте величественного здания собора. Вместе с этим старейшая площадь Екатеринбурга в его левобережной части, прежде назвавшаяся Церковной, Соборной, Екатерининской, стала называться площадью Труда.

В августе 1991 года на месте главного алтаря Екатерининского собора был установлен поклонный крест. Одним из инициаторов установки креста была народная артистка России Тамара Никитична Воронина. Его устанавливал Анатолий Михайлович Верховский.

В середине 90-х годов верующие жители города не забывали святого места, и старались еженедельно читать акафисты святой великомученице у поклонного креста. Надежда что храм, или хотя бы часовня на этом месте будут воздвигнуты. При подготовке к празднованию 275-летия города снова встал вопрос о храме святой Екатерины.

В 1997 году глава города Екатеринбурга подписал постановление о строительстве на месте Екатерининского собора православной часовни во имя святой великомученицы Екатерины. Инициатором строительства выступила группа верующих, епископ Екатеринбургский и Верхотурский Никон благословил доброе начинание, а финансировать строительство взялся общественный благотворительный фонд «Институт истории и археологии». Работы велись по проектной документации, согласованной с Главным управлением архитектуры и одобренной градостроительным советом. Основные работы были завершены в 1998 году — к 275-летию города.

Автором воплощенного в жизнь проекта строительства каменной часовни с пятью куполами стал известный екатеринбургский архитектор Александр Владимирович Долгов. Именно он в свое время поддержал инициативу установки поклонного креста на месте алтаря Екатерининского храма и помог точно установить место расположения собора. Завершать строительство часовни приходилось в кратчайшие сроки, в условиях разразившегося кризиса 1998 года. Поэтому проект до конца не был реализован, снаружи не были выполнены все запланированные мозаики, а задуманное А. В. Долговым внутреннее убранство вообще не было реализовано. Часовня расположена не на месте главного алтаря, а справа от него на места алтаря южного предела во имя апостола Иоанна Богослова.

Вместе с часовней к 275-летию основания города 14 августа 1998 г. на площади Труда был установлен памятник отцам-основателям города В. Н. Татищеву и В. И. де Генину (архитектор — П. Чусовитин).