В 1879 году жители пристанционного посёлка обратились к игуменье Христорождественского женского монастыря с просьбой о строительстве церкви при железнодорожной станции Тверь. В том же году император Александр II утвердил распоряжение о выделении земельного участка под строительство храма на земле, принадлежащей Николаевской железной дороге. Проект церкви был разработан епархиальным архитектором А. Фёдоровым. Однако из-за недостатка финансовых средств реализация проекта была отложена.
К вопросу о строительстве храма вернулись в 1889 году. 18 сентября того года техническо-строительный комитет Министерства внутренних дел рассмотрел новый проект, составленный архитектором Ф.Н. Малиновским. Решение о строительстве храма было принято в память о чудесном спасении императора Александра III и его семьи при крушении поезда на станции Борки 17 октября 1888 года. Утверждённый в 1891 году проект был направлен тверскому губернатору Павлу Дмитриевичу Ахлёстышеву, после чего начался сбор средств на строительство.
Строительство храма началось 30 августа 1891 года и завершилось 30 августа 1893 года. Главный престол храма был освящён 17 октября 1893 года архиепископом Саввой во имя святого благоверного князя Александра Невского. Правый (южный) придел был освящён 28 декабря 1893 года в честь епископа Критского Андрея и святой мученицы Иулиании, а левый (северный) придел — 10 февраля 1894 года в честь преподобного Сергия Радонежского и святой мученицы Надежды.
Архитектурное решение храма было выполнено в русском стиле, ориентированном на зодчество XVII века. Здание представляло собой крестово-купольный четырёхстолпный пятиглавый храм на высоком цоколе, с белыми фасадами, украшенными фигурными элементами из кирпича. Колокольня гармонично завершала композицию и удачно вписывалась в перспективу Станционного шоссе (ныне проспект Чайковского).
В 1929 году храм был закрыт, а его здание использовалось под различные хозяйственные нужды, включая хлебохранилище. В послевоенные годы здание подверглось значительным перестройкам: двухсветный четверик храма был разделён на два этажа, в нижнем разместили магазин, в верхнем — жилые помещения. В 1983 году, в связи со строительством нового здания железнодорожного вокзала, остатки здания храма были окончательно разобраны.
В 2009 году была сформирована инициативная группа, включающая предпринимателей и жителей города, с целью воссоздания храма на историческом месте. 20 октября 2010 года состоялась закладка нового храма в честь святого благоверного князя Александра Невского на Привокзальной площади. В основание храма была заложена частица мощей священномученика Фаддея, архиепископа Тверского. Сбор средств и строительство осуществлялись под руководством Старицкого Успенского монастыря.
К началу сентября 2013 года были возведены стены, световые барабаны и колокольня. 9 сентября 2013 года митрополит Тверской и Кашинский Виктор совершил чин освящения крестов и колоколов для собора. 12 сентября 2013 года на храм были установлены купола и кресты. Первое богослужение в нововозведённом соборе состоялось 12 апреля 2015 года, в праздник Светлого Пасхального Воскресения. 6 декабря 2017 года митрополит Виктор совершил великое освящение храма.
