Строительство храма было завершено в 1914 году. Он был возведён в посёлке Свободный, образованном при строительстве Алтайской железной дороги, и предназначался для духовного окормления железнодорожников и их семей. Архитектурный облик здания отличается от типовых проектов того времени.
Первоначально храм был приписан к церкви Вознесения Господня в селе Ганюшкино Зимовье, и богослужения в нём совершались священниками, прибывавшими из этого прихода. Здание храма было построено из кирпича на каменном фундаменте, с прямоугольной алтарной частью и без колокольни, что объясняется наличием рядом деревянного храма с колокольней, посвящённого святителю Николаю.
В 1930 году, в период антирелигиозной кампании, храм был закрыт по постановлению Новосибирского окружного исполнительного комитета. Купол и крест были демонтированы, и здание было переоборудовано под различные светские учреждения: сначала Заготзерно, затем пионерский клуб, госпиталь во время Великой Отечественной войны, клуб железнодорожников имени Жданова, школа ДОСААФ, и, наконец, Дом детского творчества.
В 2006 году, после многочисленных обращений верующих, здание было передано в собственность Новосибирской епархии. Восстановительные работы были начаты при участии братии монастыря в честь Всех Святых в земле Сибирской просиявших и при поддержке районной администрации. В 2008 году в храме была совершена первая Божественная литургия после длительного перерыва.
В последующие годы были проведены значительные реставрационные работы: установлена мозаичная икона Спасителя на фасаде, построена колокольня, освящены колокола, и начата роспись интерьера студентами иконописного отделения Новосибирского Богословского Свято-Макарьевского института. В 2012 году храму был присвоен статус соборного.
Архитектурно здание представляет собой храм в стиле классицизма с элементами модерна. Фасады украшены пилястрами, арочными окнами и фронтонами. Внутреннее пространство включает притвор, основной зал и алтарную часть. Роспись интерьера выполнена в традиционной православной манере с использованием символических цветов: зелёного, голубого и золотого.