Собор святой великомученицы Екатерины в Царском Селе был заложен в 1835 году по указу императора Николая I. Строительство велось по проекту архитектора Константина Тона, средства выделялись из Кабинета Его Императорского Величества. Освящение храма состоялось 24 ноября 1840 года духовником императора протопресвитером Николаем Музовским в присутствии Николая I и цесаревича Александра Николаевича.
Собор представлял собой пятиглавый храм в русско-византийском стиле высотой 53 метра. В 1851-1852 годах были устроены боковые приделы: правый во имя святого благоверного князя Александра Невского и левый во имя святых равноапостольных Константина и Елены. Иконостас создавался известными художниками, включая Ф.А. Бруни и А.Е. Егорова.
В 1917 году в склепе собора был погребен протоиерей Иоанн Кочуров, убитый 31 октября того же года. В 1922 году храм подвергся разграблению в ходе изъятия церковных ценностей. По постановлению президиума Леноблисполкома от 11 июля 1938 года собор был закрыт, а 10 июня 1939 года взорван. На месте храма в 1960 году установили памятник В.И. Ленину.
Археологические раскопки фундамента проведены в 2006 году. Воссоздание собора осуществлялось в 2007-2010 годах с сохранением первоначальных архитектурных форм. В подвальной части сохранился фундамент XIX века, где разместился музей истории собора. Восстановленный храм имеет три престола: главный во имя святой великомученицы Екатерины, правый святых царственных страстотерпцев и левый священномученика Иоанна Царскосельского.