Завод был расположен в районе Уктуса (ныне переулок Дунитовый) в черте современного города Екатеринбурга, в полуверсте от впадения реки Уктус в реку Исеть[1], в заводском посёлке Уктус Арамильской слободы.
Остатки заводской плотины являются наиболее ранним рукотворным сооружением на территории современного Екатеринбурга[2].
Строительство завода началось 4 декабря 1702 года по инициативе начальника Сибирского приказа думного дьяка А. А. Виниуса[3]. Указ тобольского воеводы Михаила Яковлевича Черкасского о строительстве завода. Руководителем стройки был приказчик Иван Астраханцев. На стройке работали плотинный мастер Ермолай Яковлевич Неклюдов, доменный мастер Яков Фадеевич Аистов и приписанные крестьяне Арамильской, Белоярской, Благовещенской, Буткинской, Калиновской, Куяровской, Мурзинской, Уецкой и Юрмытской слободы[1].
Завод начал работать 19 декабря 1704 года, когда была задута первая домна, вторая была запущена 3 мая 1706 года. К 1706 году были запущены две молотовые фабрики по два молота в каждой, одна пушечная вертельня, две кузницы, две угольных и один известковый сараи. Численность персонала составляла 35 мастеровых и 12 учеников. В 1708—1709 годах были построены острог, надолбы, рогатки[1][4].
На заводе в 1704—1713 годах часть железа производилась крестьянами на ручных домницах, а в 1715—1717 годах — железо приобреталось на небольших заводах, например на Шувакишском или у частных лиц. Это было кричное железо, используемое большей частью на производство уклада (сырцовая сталь, которую получали из железной крицы путём поверхностного науглероживания металла) для заводских нужд. Крицы поступали на завод либо в виде уплаты подати, либо скупались по фиксированной цене. Выработка ручных домниц была нестабильной, например, в 1707, 1711—1712, 1714 годах кричного железа на Уктусский завод вообще не поступало, в другие годы количество доставленного железа колебалось от 256 килограмм в 1710 году до 3,2 тонн в 1705 году. Самая крупная партия кричного железа в 7,9 тонн была принята в 1717 году у писчика Арамильской слободы А. Гобова. Всего за 1704—1717 годы на Уктусский завод поступило более 20,5 тонн кричного железа, 12 тонн из которого были выплавлены в ручных домницах в 1704—1713 годах[5].
Ночью 5 апреля 1718 года пожар уничтожил все заводские постройки, кроме плотины и завод был восстановлен только к 1720 году[6]. Руководителем новой стройки был заводской комиссар Алапаевского завода Тимофей Матвеевич Бурцев. Заводская плотина была увеличена, её длина составила 160 метров, ширина 26 метров, а высота 6,5 метров с двумя ларями. К 1725 году на заводе были запущены вододействующая толчея на 10 деревянных пестов, два молотовых амбара (на 4 горна и 2 больших молота, и на 2 горна и 2 молота), кузница с 20 горнами, амбары для хранения железа, меди, заводских инструментов, деревянной посуды и сараи для изготовления водяных колёс, мехов, сушки леса[1][4].