Строительство храма было инициировано весной 1877 года, когда был создан строительный комитет, обратившийся в Городскую Думу с просьбой о выделении земельного участка под возведение храма.4 апреля того же года Дума удовлетворила ходатайство, предоставив место «на Селении в местности Ильмень, что около бондарного посёлка».
Проект храма разработал архитектор П. Знаменский; 11 октября 1878 года он был одобрен строительным отделением Астраханского Губернского Правления. В 1879 году начались строительные работы, продолжавшиеся до 1885 года. Основным вкладчиком в строительство был астраханский купец Иван Иванович Губин.
29 сентября 1885 года состоялось освящение собора. При храме были устроены боковые приделы в честь Усекновения главы Иоанна Предтечи и великомученика и целителя Пантелеимона.
Архитектурно собор выполнен в древнерусском стиле. Здание и объединенная с ним высокая двухъярусная колокольня построены из красного кирпича. Первоначально проект предусматривал пятиглавый купол, однако из-за ограниченных средств был возведен один массивный восьмисветовой барабан.
До 1944 года собор функционировал как приходский храм. В период Великой Отечественной войны, в 1941 году, здание было переоборудовано под склад сахара. Однако уже в 1943 году собор был возвращен верующим и продолжил свою деятельность.