Храм Покрова Пресвятой Богородицы в Гатчине был заложен в 1896 году как временная церковь в деревянном двухэтажном доме, предоставленном купцом 3-й гильдии Козьмой Карповым. Дом находился на углу Госпитальной и Мариинской улиц. 6 августа 1896 года епископ Гдовский Назарий (Кириллов) освятил главный престол во имя Покрова Пресвятой Богородицы, а на следующий день — боковой придел во имя святого Александра Невского.
Строительство каменного собора началось в 1905 году по проекту архитектора Леонида Харламова и инженера Александра Барышникова. Торжественная закладка храма состоялась 3 июня 1907 года, когда был возведён цокольный этаж. Многие жители Гатчины участвовали в строительстве, жертвуя средства и материалы. Отделочные работы выполнялись сёстрами Пятогорского Богородицкого монастыря, включая золочение крестов и иконостасов.
Главный придел храма был освящён 8 октября 1914 года епископом Нарвским Геннадием (Туберозовым). Южный придел во имя святого Александра Невского освятили 9 октября 1914 года, а северный во имя Николая Чудотворца — 7 декабря 1914 года. Отделка фасада осталась незавершённой из-за Первой мировой войны и революции 1917 года.
В 1939 году храм был закрыт постановлением президиума Ленинградского областного исполнительного комитета. Помещения использовались как склад «Гатчинторга». Во время оккупации в здании находился склад осветительных приборов. В 1990 году собор возвращён православной общине, и в 1991 году в нём возобновились богослужения.
В 1996 году в подвальной части собора устроен нижний храм во имя святого Иоанна Кронштадтского. В 2011 году завершена оштукатурка фасада, которая не была выполнена ранее. 14 октября 2012 года состоялось Великое освящение собора, совершённое епископом Гатчинским Амвросием.