История Екатеринского горного собора тесно связана с историей города. В начале 1723 года на берегу реки Исети Вильгельм де Геннин начал строительство завода-крепости для переработки медной и железной руды. 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. С этого времени небесной покровительницей завода-крепости стала святая великомученица Екатерина, а день ее памяти — 7 декабря (24 ноября по старому стилю) — главным праздником города, к которому приурочивались все важнейшие события.

Первая Екатерининская церковь была деревянная и обветшала уже через 4 года после освящения, а и 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 Вильгельм 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 стронуло 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.

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.

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. 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.

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 великомученицы 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.

К 275-летию города на месте храма была воздвигнута часовня по проекту архитектора А.В. Долгова. В 2013 г. инициативной группой верующих был зарегистрирован приход Собора святой великомученицы Екатерины, а с Пасхи 2014 года в часовне началась полноценная богослужебная жизнь. Был устроен иконостас, и все необходимое для совершения регулярных служб. Приход надеется, что храм святой Екатерины будет восстановлен.