Самый загадочный, самый интересный и самый сложный объект изучения и сохранения на Старом Демидовском заводе — это доменный цех. На любом металлургическом предприятии расположение доменного производства определяет всю объемно-планировочную застройку завода. Доменный цех во все времена представлял собой многокомпонентное архитектурное сооружение и всегда демонстрировал вертикальное доминирование на заводской территории, а в XVIII-XX вв. и на территории поселения.
Начиная с XIX в. и до сегодняшнего дня, он включает в себя определенный набор базовых объектов: собственно доменную печь, литейный двор, элементы воздуходувного и воздухонагревательного хозяйства, дымовую трубу, эстакаду, скрубберы, фильтры, пылеуловители, а также здания управления процессами. Важно понимание, что доменный цех — это не здание, а совокупность оборудования, взаимосвязанного технологическим процессом. Считается, что общая тенденция архитектурного развития пространства доменного производства двигалась к усилению его «открытости». Демидовский завод в Нижнем Тагиле не стал исключением: постепенно шла трансформация мощных кожухов доменных печей и глухих стен литейных дворов в конструкции более открытого типа. [1, С. 154]
Принципиально важным для работы производства является взаимосвязь двух составляющих: доменной печи и литейного двора, то есть получение чугуна в агрегате и организованный прием продукта в определенном пространстве. Особенности их взаимодействия в разные годы отражали уровень развития данного производства и определяли характер архитектуры всего комплекса. Доменный цех Старого Демидовского завода неоднократно подвергался модернизации, о чем свидетельствуют чертежи 1734 г., 1770 г.,1807–1809 гг., 1828 г., 1846 г., 1851 г., 1881 г., 1893 г., 1896 г., 1900 г., 1923-1927 гг., 1956 г.
К ключевым преобразованием устройства доменного производства можно отнести изменение расположения печей вдоль рабочих прорезов заводской плотины. Изначально тагильская плотина имела два рабочих прореза — центральный и доменный. Каждый из них обеспечивал работу отдельной доменной фабрики с двумя печами и воздуходувным устройством к ним. Относительно друг друга фабрики располагались под прямым углом: одна вдоль плотины, другая перпендикулярно к ней. В середине XIX в. печи стали строить только вдоль плотины. От того времени до наших дней сохранился фрагмент общей кирпичной стены цеха.