Собор был возведен за счет средств известного житомирского купца Михаила Хаботина, который долгие годы добивался разрешения местной власти на строительство. В 1856 году собор осветили и открыли для богослужений. Он состоял из одного большого купола, четырех небольших куполов и колокольни. Внутренние залы были украшены красивыми фресками, из которых на сегодняшний день сохранились только две. После Октябрьской революции это был храм украинской автокефальной православной общины, который советские власти в 1927 году закрыли и превратили в склад. Во время Второй мировой войны немцы его отдали верующим. В 1960 году советы вновь закрыли собор и стали использовать его помещения в служебных целях. В подвале устроили склад, главный зал перешел кукольному театру, а остальную часть заняло общество "Знание". Была разрушена колокольня и малые купола. Возродился собор лишь с получением Украиной независимости. Сейчас он относится к Киевскому патриархату. Богослужения стали проводится на украинском языке. Также при соборе действует духовная школа и архиерейский хор.