
Собор заснований у середині XVII століття, а сучасна будівля зведена в 1771—1777 роках за кошти духівництва і харків'ян. Дзвіниця собору — Олександрівська — побудована в XIX ст. на честь перемоги у війні з Наполеоном, має висоту 89,5 м. На час зведення була однією із найвищих у Російській імперії, тепер — одна із найвищих в Україні. Тільки 2006 року в Харкові були побудовані більш високі споруди — два житлових будинки висотою 91 і 95 метрів.
Як кафедральний собор Харківської єпархії РПЦ він діяв до 1930 року. За радянської влади собор закрили, після цього в приміщенні храму діяли різноманітні державні установи, складські приміщення. У 1984 у соборі був встановлений орган, по теперішній час, тут діє Будинок органної і камерної музики з двома залами Харківської філармонії. З 1990 року були поновлені богослужіння. Наразі вирішується питання про повну передачу будівлі собору Харківській єпархії УПЦ (МП).