Деревянная церковь, давшая название селу Рождественское (старое название вотчины Чулковых) впервые упоминается в писцовых книгах 1627–1629 годов. Каменная же церковь, дошедшая до нас, возводилась в XVIII веке. Кто и когда именно ее построил, доподлинно неизвестно. На этот счет есть три версии, и все они связывают возведение церкви с известной династией горнозаводчиков Демидовых.

По одной версии, заказчиком храма стал основатель династии, Никита Антюфеев (1656–1725), по другой — его сын Акинфий (1678–1745), первая жена которого, Авдотья Коробкова, по преданию, была похоронена при старой деревянной церкви (или даже непосредственно в ней). Есть также версия, что церковь построили на пожертвования прихожан, но впоследствии Демидовы оказывали ей покровительство. Как бы то ни было, на паникадиле храма сохранилось клеймо «Sibir: невьянский завод». С передачи Никите Антюфееву в 1702 году казенного Невьянского завода и началась уральская эпопея Демидовых.

Изначальный облик храма, выстроенного в стиле петровского барокко, сильно искажен многочисленными поновлениями и перестройками. В 1764 году был пристроен первый из приделов, посвященный святителю Димитрию Ростовскому. Димитрий (1651–1709), к слову, был современником Никиты Антюфеева — это он благословил Демидовых на отъезд за Урал на поиски руд и подарил Никите с Акинфием икону со стихотворным посвящением.

В 1790 году при церкви открылось первое в городе домашнее училище, где можно было обучиться грамоте, катехизису и основам арифметики.