Процес будівництва цього собору був досить тривалим. Перший камінь в його основу заклала Катерина II в 1787 році, під час подорожі по Дніпру. Завершили його будівництво в 1835 році. Початковий проект храму створив французький архітектор Клод Геруа. Пізніше проект допрацював архітектор Іван Старов. Але і він не був втілений в життя. У 1830 році будівництво продовжили за проектом Адріана Захарова, що багато в чому повторюва його творіння в Санкт-Петербурзі, Кронштадтський Андріївський собор. Діяв храм з 1835 року по 1930 рік. Більшовики в ньому помістили науково-атеїстичний музей і планували до 1941 року знести будівлю. Після війни тут влаштували склад паперу, безповоротно знищивши начиння і іконостас, забіливши унікальні фрески. Собор пережив і це варварство, до того ж став головним героєм однойменного роману класика української літератури Олеся Гончара. Можливо, завдяки саме цьому твору і піднятій в ньому темі духовності народу храм визнали пам’яткою архітектури. У 1968 році була розпочата наукова реєстрація храму. Але своє первісне призначення він почав виконувати лише в 1991 році.