Решение о строительстве собора было принято в 1889 году городской думой Екатеринодара в благодарность за чудесное спасение императорской семьи Александра III при крушении царского поезда в октябре 1888 года. Вдова урядника Ефросинья Абрамовна Щербинина пожертвовала для строительства участка земли размером 962 квадратных сажени на пересечении улиц Карасунской и Гривенской, а также 2000 рублей. Взамен она просила предоставить ей небольшое жилье и ежегодное пособие в размере 120 рублей. Городская дума приняла это предложение, и 3 октября 1899 года состоялась закладка храма.
Проект собора был разработан главным архитектором Екатеринодара Иваном Константиновичем Мальгербом. Согласно проекту, собор должен был иметь три престола и вмещать около 1000 прихожан. В 1902 году на месте будущего храма открылся молельный дом, и началась кладка колокольни и покрытие крыши. 29 июня 1904 года в торжественной обстановке на купола были подняты кресты, и произошло освящение престола нижнего храма в честь Серафима Саровского. Однако с 1905 по 1907 годы строительство было приостановлено из-за нехватки средств, связанной с революционными событиями в России.
В декабре 1907 года для завершения строительства, постройки иконостаса и внутренней росписи храма в город прибыли московские мастера Николай Михайлович Сафонов и Стрелков. Работы продолжались до конца 1909 года. 7 июня 1910 года, во второй день праздника Троицы, собор был торжественно освящен. Во дворе храма действовали церковно-приходская школа и городское начальное училище.
В 1937 году, в период антирелигиозной политики советского государства, собор был закрыт. Здание использовалось для различных нужд: в нем размещались институт «Крайпроект» и склад драматического театра. Во время Великой Отечественной войны здание собора пострадало, но в период оккупации Краснодара в 1942 году богослужения были возобновлены. После войны, в 1961 году, храм вновь закрыли, и здание использовалось под склад для солений, а затем как скульптурный цех художественного комбината.
В 1979 году собор был признан памятником архитектуры и взят под охрану государства. В 1989 году здание было возвращено Русской Православной Церкви в плачевном состоянии. 14 января 1990 года в соборе возобновились богослужения, а в мае 1993 года храм получил статус соборного.
Архитектурно собор представляет собой кирпичное двухэтажное здание, увенчанное 11 куполами. К главному объему храма с запада примыкает трапезная, соединяющая его с четырехъярусной колокольней. Восточная, алтарная часть здания образована тремя выступами, центральный из которых надстроен верхним ярусом и увенчан позолоченной главкой. В нижнем этаже расположены Серафимовский и Евфросиньевский приделы.
Внутренняя роспись храма была выполнена художником Н.М. Сафоновым, представителем школы В.М. Васнецова, за что ему было пожаловано звание почетного потомственного гражданина города.
