Строительство храма было инициировано в 1895 году жителями поселка Новониколаевск, которые обратились к Томскому епископу Макарию (Невскому) с просьбой о возведении храма.Благословение было получено, и был организован комитет по строительству, возглавляемый начальником строительства Среднесибирского участка железной дороги инженером Н. П. Межениновым.Для финансирования проекта начался сбор пожертвований.
В апреле 1896 года император Николай II пожертвовал на строительство храма 5 000 рублей, а позднее добавил еще 6 500 рублей на изготовление иконостаса. Кроме того, императорская семья передала в дар храму иконы афонского письма: Иверскую икону Божией Матери и икону святого великомученика Пантелеимона Целителя.
Проект храма был разработан архитектором Константином Карловичем Лыгиным, который взял за основу храм Божией Матери в Санкт-Петербурге. Строительство велось под руководством инженера Николая Михайловича Тихомирова. Закладка храма состоялась 15 мая 1897 года, а к концу 1898 года была завершена кладка стен. Собор был освящен 29 декабря 1899 года епископом Томским и Барнаульским Макарием.
Архитектурно собор представляет собой крестово-купольный храм с центральным восьмигранным объемом, увенчанным куполом на цилиндрическом барабане диаметром 10,4 метра. Высота здания до верха купола составляет 24 метра. С запада к основному объему примыкает колокольня-звонница. Стены толщиной 1,25 метра выполнены из красного кирпича и опираются на фундаменты из гранитных камней. Фасады украшены узорными карнизами из профильного кирпича, зубчатыми поясами, полуколоннами с капителями и плоскими уступчатыми нишами в форме креста.
Внутреннее убранство храма включало росписи, выполненные томской иконописной мастерской И. А. Панкрышева. Полы были выложены керамической плиткой, привезенной из Голландии. Собор имел три престола: главный — во имя святого благоверного князя Александра Невского, и два боковых — во имя святителя Николая Чудотворца и во имя великомученика Георгия Победоносца.
В феврале 1910 года храм стал центром благочиния новониколаевских церквей, а в 1915 году получил статус собора. В 1920-е — 1930-е годы собор принадлежал обновленцам. В 1937 году, после ареста обновленческого митрополита Западно-Сибирского Александра (Введенского), собор был закрыт. Предпринимались попытки взорвать здание, но были разрушены только перегородки. В 1940-е годы в здании собора размещался проектный институт «Промстройпроект», а с 1957 года — Западно-Сибирская студия кинохроники, которая находилась в здании вплоть до апреля 1984 года. За эти годы в соборе была полностью уничтожена роспись, устроены дополнительные перекрытия, образовавшие три этажа, в куполе была сделана комната.
В 1984 году здание было передано Новосибирской филармонии. Был разработан проект его реставрации и переоборудования для устройства в нем концертного зала для камерного хора, включавший постройку дополнительного подземного яруса. В 1988 году планировалось приступить к началу работ, но благодаря вмешательству общественности началась кампания за возвращение собора Русской Православной Церкви. В сентябре 1989 года здание было возвращено Новосибирскому епархиальному управлению. В 1991 году собор был повторно освящен Патриархом Московским и всея Руси Алексием II.
