В конкурсе на лучший проект собора принимали участие известные архитекторы страны. Основными требованиями нового императора Александра III были русский стиль здания и отдельный придел на месте, где пролилась августейшая кровь. Только с третьей попытки выбрали проект Альфреда Парланда, профессора Академии художеств. Заложили храм в 1883 г., построили быстро, а вот отделывали целых 10 лет и освятили в 1907 г.
После революции, как водится, собор закрыли, какое-то время использовали в качестве овощехранилища, в блокаду — морга, а после войны — как склад театральных декораций. Несколько раз его собирались разрушить, но в 1970 г. начали реставрацию. С 1997 г. обновленный храм открыли для посетителей, в 2004 г. возобновились богослужения.