Находился в центре города, на левом возвышенном берегу реки Исети, от Кафедрального собора к востоку. Приход Екатерининский образовался в средине 1726 года; до этого же времени первые екатеринбургские поселенцы (столяры, плотники, слесаря, кузнецы, солдаты и мелкие торговцы) были причислены к приходу Уктусской церкви. В период с сентября 1747 г. до конца 1763 года Екатерининский приход был закрыт. Первая церковь (мазанковая, заложенная 1 октября 1723 г.), во имя св. великомученицы Екатерины, был освящена 26 февраля 1726 года настоятелем Тобольского Знаменского монастыря архимандритом Геннадием, по благословенной грамоте Тобольского и Сибирского митрополита Антония. 26 сентября 1747 года церковь эта сгорела. Обращение канцелярии Главного правления заводов в Тобольскую Консисторию, в котором, между прочим, высказывалось усердное желание всех екатеринбургских обывателей построить каменную соборную церковь было остановлено "за неимением в Тобольске на престолоправлении преосвященного архиерея, яко без пастыря своего и без особливаго от Святейшаго Правительствующаго Синода благословения на то церкви застроение позволение духовной Консистории самой дать не можно". Вопрос разрешился после доклада Консистории в Св. Синоде. 10 ноября 1757 года из Синода в Тобольскую Консисторию последовал указ, выражающий благословение на закладку в Екатеринбурге соборной церкви. Храм строился на средства казны и доброхотные даяния. Церковь сооружалась соликамскими каменщиками Ионой Кремлевым и братьями Г.А. и И.А.Татариновыми, по проекту архитектора Берколлегии Ягана Миллера, переработанному екатеринбургским "главным межевщиком" Афанасием Кичигиным. Когда освящен храм неизвестно. Благословенная же грамота на освящение его, подписанная митрополитом Павлом 21 декабря 1767 г. в Екатеринбурге была получена 31 декабря. Очевидно, освящение главной церкви было совершено в последних числах января или в начале февраля 1768 года самим митрополитом Павлом, бывшим тогда в Екатеринбурге.
Екатерининский храм от придельных был отделен капитальной стеной. Кроме того, в колокольне собора, по желанию прихожан, был устроен с благословения митрополита Павла, храм во им святителя Димитрия, Ростовского чудотворца. По причине холода и тесноты в этом приделе служить было невозможно. Поэтому в июне 1809 года соборный причт, с согласия своих прихожан, просил преосвященного Иустина о позволении: во-первых, распространить этот храм на теплых приделах; во-вторых, переименовать его во имя всех Святых. По указу Пермской духовной Консистории, от 15 июня 1810 г., Дмитриевский придел был упразднен, новый же придел, переименованный в 1833 году преосвященным Аркадием во имя Святой Живоначальной Троицы, совершенно закончен и благоукрашен лишь в мае 1834 года. Троицкий придел был освящен первым Екатеринбургским викарным епископом Евлампием (Пятницким) 12 июня того же года.
Екатерининский храм не отапливался, поэтому богослужение в нем совершалось только летом, в остальное время года служили в придельных храмах, составлявших теплую церковь. Увеличившееся к концу 40-х годов прошлого столетия число прихожан потребовало расширение площади теплой церкви. Первая попытка соединить пространство при помощи устроения арок в стене Екатерининской церкви не принесла разрешения проблемы из-за узости и малой высоты, сделанных проемов. Только в 1896 году, благодаря церковному старосте А.А. Дрозжилову, когда вместо трех арок была устроена одна большая, Екатерининский храм с придельными составил одну церковь.
Соборная горная каменная церковь имела четыре престола. Здание храма не было ограждено никакой оградой. Колокольня, составляющая одно целое с церковью, имела три яруса; высота ее со шпилем и крестом 261/2 сажень (порядка 50 м).
В Екатерининском соборе хранилась частица мощей святого праведного Симеона Верхотурского.
После упразднения по Высочайшему повелению императора Уральского горнозаводского батальона, знамя, пожалованное ему 1 января 1861 года, было предано для хранения в Екатерининский горный собор и находилось в нем за правым клиросом.