Строительство храма было инициировано в 1999 году с целью возрождения духовной жизни и восстановления исторической справедливости после утраты прежнего Казанского собора, разрушенного в 1930-х годах.
Предшественник нынешнего собора был возведен в 1888–1894 годах по проекту архитектора Александра Ященко и являлся значимым символом Оренбурга. Однако в ходе антирелигиозной кампании советского периода храм был уничтожен. В 1999 году было принято решение о строительстве нового собора. Закладка камня в основание нового храма состоялась 8 августа 2003 года. Проект разработан творческой группой под руководством оренбургского архитектора-реставратора Юрия Григорьева. 7 апреля 2011 года, в праздник Благовещения Пресвятой Богородицы, были освящены кресты собора и установлен главный купол. 23 апреля 2016 года митрополит Оренбургский и Саракташский совершил чин малого освящения храма, а в 2018 году состоялось великое освящение.
Современный собор представляет собой двухъярусное сооружение с семнадцатью куполами, высота которого вместе с крестом составляет около 55 метров. Вместимость храма достигает двух тысяч человек. Архитектурный облик собора сочетает элементы древнерусского зодчества и современные строительные технологии. Фасады украшены декоративными элементами, характерными для православной архитектуры. Внутреннее убранство включает росписи и иконостас, выполненные в соответствии с канонами Русской Православной Церкви.
