Среднеуральскую ГРЭС строили специально, чтобы обеспечить энергией Уральский регион, где наблюдался явный дефицит этого жизненно необходимого для населения ресурса. Итого о том, что строительство нужно был подведен 31 августа 1930 года. К данному времени здесь уже было начато глобальное строительство региональных предприятий, в первую очередь Уралмаш. Конечно, чтобы восполнить все потребности предприятий, было нужно большое количество электроэнергии, объемы которой были в разы выше, чем было в этом регионе на тот момент.

Годом позже строительство ГРЭС стартовало. А в конце лета 1939 года ГРЭС уже функционировала, вырабатывая мощность в объеме 150 МВт, таким образом, эта ЭС стала мощнейшей во всем уральском регионе. Период Великой Отечественной войны, а точнее самый ее разгар 1943 год, — был крайне тяжелым временем для всей страны. Но это не помешало начать эксплуатировать на ГРЭС четвертую по счету турбину, ее потенциальная мощность была 50 МВт. Не менее трудным временем были и первые годы после войны, тогда множество предприятий промышленности по всей стране требовали полной или частичной реконструкции, и электроэнергия стала необычайно востребована. К 1949 году первоочередные части ГРЭС были достроены, общая мощность этой ЭС была равна 234 МВт. Через 20 лет после начала строительства, в 50-е годы 20 столетия, именно Среднеуральская ГРЭС стала первой в России, где использовалась комплексная автоматизация.

В 60-е годы запустили строительство частей ГРЭС, стоящих во второй очередь, мощность выработки электроэнергии ими была установлена на отметке 238 МВт. По тем времена на станции использовались самые инновационные и передовые разработки, так эксплуатировались 3 котла высокого давления, работающие комплексно и на газе, и на мазуте, две турбина с тепловой фиксацией и одна турбина против давления. Данный этап многие энергетики считают вторым рождением этой ГРЭС. В 1970 году здесь была внедрена в работу третья очередь объектов выработки энергии с общей мощностью 900 МВт.

В начале 1980 годов именно эта ГРЭС стала использовать новый тип топлива, до этого применялся уголь, теперь же все объекты начали функционировать на природном газе, в качестве резерва использовался мазут. В наше время, в 2008 году здесь начали возведение объектов современного энергоблока, мощность которого составила 410 МВт.