Второе по счёту здание на этом месте, построенное по проекту Иоганна Миллера с изменениями, внесёнными Ионой Кремлёвым (отделил приделы от основного объёма здания, ставшие в результате тёплыми храмами, первоначально задуманы как боковые нефы). Строился Ионой Кремлёвым и братьями Татариновыми. Изначально решённый в стиле барокко, в первой трети XIX в. частично перестроен и расширен с декором в духе классицизма (архитектор М. П. Малахов). Новые перестройки в интерьерах 1848 и 1896 гг. объединили основной объём и приделы в единое здание, с новыми элементами декора в псевдорусском стиле. Храм имел трехярусную колокольню выс. 55,5 м, девятиярусный золоченый иконостас.

В феврале 1930 г. закрыт, в марте-апреле того же года разрушен.
18 марта 2010 г. Екатеринбургская епархия при поддержке губернатора Свердловской области А. С. Мишарина объявила о намерении восстановить Екатерининский собор.