Строительство собора осуществлялось на месте древнего Медынского городища, на возвышенности левого берега реки Медынки, что обусловило его доминирующее положение в городской панораме.Инициатива возведения нового каменного храма была связана с указом от 15 мая 1780 года, изданным по распоряжению наместника Калужской губернии М. Н. Кречетникова, о строительстве соборных храмов в новоутвержденных городах Медынь, Таруса и Жиздра по единому плану.
Архитектура собора отражала переходный период от барокко к раннему классицизму, что проявилось в симметричности форм и сдержанности декоративного убранства. Собор имел три престола: главный — в честь святых Константина и Елены, правый — во имя святителя Николая Чудотворца, левый — в честь Успения Пресвятой Богородицы. В храме находилась особо чтимая Владимирская икона Божией Матери, перенесенная из сгоревшего деревянного Благовещенского храма, а также напрестольное Евангелие и крест, пожертвованные императрицей Екатериной II при его освящении.
В начале XX века при соборе было создано «Общество трезвости», насчитывавшее 114 членов. После революционных событий 1917 года собор был закрыт в 1920-х годах и переоборудован в кинотеатр. В 1930-х годах колокольня была полностью разрушена, а во время Великой Отечественной войны здание храма значительно пострадало. В послевоенное время в стенах собора разместился дом культуры, при этом были утрачены восьмиугольный световой барабан, сводчатые конструкции и система перекрытий. В 1950-х годах здание использовалось в качестве склада, а в начале 1980-х годов к западному фасаду были пристроены одноэтажные кирпичные помещения, исказившие первоначальный облик сооружения.
