Инициатива строительства принадлежала Комитету по устройству празднования юбилея, созданному в 1910 году. Место для храма выбрали на территории подворья Феодоровского Городецкого мужского монастыря Нижегородской епархии, существовавшего здесь с конца XIX века.
Проект храма разработал архитектор Степан Самойлович Кричинский, победивший в конкурсе 1910 года. Архитектурный облик собора выполнен в неорусском стиле, вдохновленном ростовским зодчеством XVII века. Здание двухэтажное, с пятью главами, построено из железобетона и облицовано белым камнем. Верхний храм, рассчитанный на 2000 человек, посвящен Феодоровской иконе Божией Матери, нижний — святому благоверному князю Александру Невскому.
Закладка храма состоялась 5 августа 1911 года в присутствии великого князя Михаила Александровича. Строительство велось на средства, собранные по всей России, и завершилось в кратчайшие сроки. Главный престол верхнего храма был освящен 15 января 1914 года митрополитом Санкт-Петербургским и Ладожским Владимиром (Богоявленским) в присутствии императора Николая II и членов императорской семьи.
В советский период собор был закрыт, и его помещения использовались под различные нужды, включая молокозавод. В результате здание претерпело значительные изменения и утраты. В 1990-е годы начался процесс возвращения храма Русской Православной Церкви и его постепенное восстановление.
