Строительство осуществлялось по инициативе гетмана Войска Запорожского, графа Кирилла Григорьевича Разумовского, под руководством архитектора Андрея Григорьевича Яновского.Проект храма приписывается архитекторам Антонио Ринальди или Жану-Батисту Валлен-Деламоту.
Архитектурно собор представляет собой двухэтажное кирпичное здание, выполненное в переходном стиле от барокко к раннему классицизму. Основной объем имеет форму латинского креста с закругленными северным, восточным и южным рукавами. Над средокрестием возвышается небольшой четверик, увенчанный яйцевидным куполом, на котором расположен двусветный цилиндрический барабан с полусферическим покрытием. К трапезной части примыкает высокая четырехъярусная колокольня.
Внутреннее убранство храма включает двухъярусный иконостас, предположительно выполненный по рисунку Бартоломео Растрелли, с иконами работы придворного художника Григория Стеценко. Иконостас украшен скульптурными изображениями ангелов и завершается композицией «Распятие с предстоящими».
После революции 1917 года собор подвергся разграблению. В 1937 году храм был закрыт, а его священнослужители арестованы и расстреляны. Во время немецкой оккупации в годы Великой Отечественной войны богослужения были временно возобновлены, но после окончания войны храм вновь закрыли. В 1990 году богослужения в соборе были возобновлены, а в 1999 году возвращены иконы иконостаса после реставрации.
