Есть слова со склоняемой и с несклоняемой первой частью (каждый случай проверяется по словарю). В тех примерах, которые приводите Вы, склоняются обе части слова.
Согласно правилам, оба названия склоняются: в г. Нижнем Тагиле, в г. Каменске-Уральском_ (первая часть тоже склоняется). Подробнее см. в «Письмовнике».