В 1763 году, во время путешествия по России, императрица Екатерина II посетила село Петровское. Впечатлённая его расположением и значением, она приняла решение о преобразовании села в город Петровск. В 1779 году был подписан указ о выделении 8 000 рублей на строительство нового собора в этом городе.
Строительство храма началось в 1780 году и завершилось в 1783 году. Проект был разработан губернским архитектором Иваном Левангагеном. 10 сентября 1783 года состоялось освящение собора архимандритом Аврамием из Ростовского Богоявленского монастыря.
Архитектурно храм представляет собой образец переходного периода от барокко к классицизму. Здание состоит из компактного четверика, завершённого треугольным фронтоном, переходящим в высокий восьмерик, на котором покоится глухой барабан с круглой главой. Фасады украшены пилястрами со стилизованными капителями и круглыми окнами второго света. К храму примыкает небольшая трапезная и стройная трёхъярусная колокольня с рустованной нижней частью.
После революции 1917 года храм был закрыт, здание использовалось под мастерскую, затем под склад. В 1991 году началось возрождение храма, были проведены реставрационные работы, и он был вновь открыт для богослужений.
