В 1773 году на территории Костромского кремля произошёл пожар, уничтоживший Крестовоздвиженский монастырь. В результате было принято решение о строительстве нового храма на месте сгоревшего монастыря. Собор был возведён в период с 1776 по 1791 год под руководством местного архитектора Степана Андреевича Воротилова. Здание выполнено в стиле позднего барокко и стало крупнейшим культовым сооружением Костромы того времени. Особенностью собора является его четырёхъярусная колокольня высотой 64 метра, ставшая архитектурной доминантой города.
В 1934 году, в период антирелигиозной кампании, собор был разрушен, а его место занял городской парк. В последующие десятилетия предпринимались попытки восстановления храма, однако реальные шаги в этом направлении были предприняты лишь в XXI веке. В 2015 году начались работы по воссозданию собора, завершившиеся в 2023 году. 25 сентября 2023 года состоялось освящение восстановленного Богоявленского собора, и ему был присвоен статус кафедрального собора Костромской епархии.
С момента освящения в 2023 году Богоявленский кафедральный собор вновь стал центром духовной жизни Костромы. В нём регулярно проводятся богослужения, церковные таинства. Собор также является местом хранения и почитания Феодоровской иконы Божией Матери, одной из главных святынь Русской Православной Церкви.
