Точная дата строительства храма не установлена. Существуют различные версии, согласно которым храм был построен в период с 1804 по 1824 годы. Согласно одной из гипотез, строительство храма было приурочено к возможному визиту императрицы Екатерины II, что обусловило его монументальность и продолжительность работ. Согласно другой версии, храм был возведен в 1823 году. Средства на строительство собирались всем миром: как от местных жителей, так и от именитых нижегородцев.
Архитектурный облик храма представляет собой сочетание элементов классицизма и традиционной русской храмовой архитектуры. Здание выполнено из кирпича и включает в себя основной объем, трапезную и колокольню. Купола храма увенчаны крестами, а фасады украшены пилястрами и профилированными карнизами. Внутреннее убранство храма включает в себя иконостасы и росписи, выполненные в соответствии с канонами православной церкви.
В 1937 году, в период активной антирелигиозной кампании, храм был закрыт и передан под мастерские по производству запасных деталей к станкам и механизмам текстильной промышленности. С него были сняты купола, внутри настланы полы, устроен потолок. Рядом была построена кузница. В 1968 году мастерские были переведены на новую площадку, и освободившийся собор остался в удручающем состоянии. Кроме того, он оказался в опасной близости к кромке берега, ежегодно подмываемого водами Горьковского водохранилища.
В конце 1970-х годов по инициативе и при активном участии А.П. Лямаева, бывшего директора Катунского механического завода, местные жители собрали деньги для того, чтобы восстановить купола и покрыть часть кровли. Было проведено несколько субботников по укреплению берега. Но лишь в 1990–1991 годах удалось произвести работы по восстановлению пятиглавия и замене проржавевшего кровельного покрытия на оцинкованное. На дальнейшие ремонтные работы средств не было.
В 2003–2004 годах благодаря усилиям Николая Федоровича Полякова начался ремонт и реставрация собора, были проведены трудоемкие и дорогостоящие работы по укреплению берега, сооружен переходный мост через залив, разделяющий Катунки. В 2004–2007 годах к храму был подведен природный газ, построена газовая котельная, собору был возвращен его внешний облик, отреставрирована внутренняя роспись. Наконец, в 2007 году возле храма была возведена новая колокольня, на которую в начале ноября того же года был поднят соборный колокол весом 3,8 тонны. Сейчас храм окружает благоустроенная набережная, откуда открывается прекрасный вид на Волгу и на величественно поднявшийся над нею собор.
