Строительство собора во имя святого благоверного князя Александра Невского в Барнауле началось в 1991 году после освящения закладного камня Святейшим Патриархом Московским и всея Руси Алексием II. Инициатива возведения храма исходила от верующих Ленинского и Индустриального районов города, которые ранее были вынуждены посещать единственный действующий Покровский собор. В 1990 году была образована община будущего храма, а в 1991 году проведен конкурс на архитектурный проект, победителем которого стал проект Александра Деринга.
Первым этапом строительства стало возведение крестильного храма в честь Богоявления Господня, который был освящен в 1995 году. Этот храм стал первым православным храмом, построенным в Барнауле после 1917 года. Архитектура Богоявленской церкви выполнена в стиле эклектики, представляет собой пятиглавое кирпичное здание, рассчитанное на 400-500 человек. Проект малого храма разработал архитектор Сергей Боженко.
Строительство основного соборного здания велось с перерывами из-за недостатка финансирования. В 2003 году в проект были внесены изменения для повышения сейсмоустойчивости до 8 баллов. В 2013 году на звонницу подняли 12 колоколов, самый большой из которых весит 5 тонн. В 2016-2017 годах были установлены центральный купол и купол колокольни. Купола изготовлены по технологии вакуумного напыления нитрид-титана на нержавеющую сталь.
12 сентября 2018 года в строящемся соборе впервые совершили Божественную литургию архиерейским чином. В 2021 году, к 800-летию со дня рождения князя Александра Невского, в собор была передана частица его мощей. 27 сентября 2021 года состоялось великое освящение двупрестольного Александро-Невского собора. Архитектурный комплекс включает в себя основной собор, Богоявленскую церковь, водосвятную часовню, звонницу и административные здания.