Храм спроектирован в стиле русского барокко, напоминает Петропавловский собор Санкт-Петербурга, построенный знаменитым Доменико Трезини. По элегантности общего силуэта, изысканности форм это один из выдающихся памятников эпохи. В нижнем этаже храма находился престол в честь Богоявления Господня, освященный 30 марта 1774 года, а в верхнем – в честь святых апостолов Петра и Павла, освященный 28 июня 1795 года. До 1833 года церковь была приходской. С образованием Екатеринбургской викарной епископской кафедры, размещенной в этом храме, он 25 декабря 1833 года приобрел статус кафедрального. Площадь по нему также получила название Кафедральной. При храме погребены трое екатеринбурских епископов: Мельхиседек, Иреней, Поликарп.