Процесс строительства этого собора был достаточно длительным. Первый камень в его основание заложила Екатерина II в 1787 году, во время путешествия по Днепру. Завершили его возведение в 1835 году. Первоначальный проект храма создал французский архитектор Клод Геруа. Позже проект доработал архитектор Иван Старов. Но и он не был воплощен в жизнь. В 1830 году строительство продолжили по проекту Адриана Захарова, во многом повторяющем его творение в Санкт-Петербурге, Кронштадтский Андреевский собор. Действовал храм с 1835 года по 1930 год. Большевики в нем поместили научно-атеистический музей и планировали до 1941 года снести здание. После войны здесь устроили склад бумаги, безвозвратно уничтожив утварь и иконостас, забелив уникальные фрески. Собор пережил и это варварство, к тому же стал главным героем одноименного романа классика украинской литературы Олеся Гончара. Возможно, благодаря именно этому произведению и поднятой в нем темы духовности народа храм признали памятником архитектуры. В 1968 году была начата научная регистрация храма. Но свое первоначальное предназначение он начал выполнять лишь в 1991 году.