Впоследствии, в 1801 году, на её месте была построена церковь во имя Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня.К середине XIX века эта церковь обветшала и была разобрана в 1847 году.
В июле 1848 года, по благословению архиепископа Олонецкого и Петрозаводского Венедикта, был заложен фундамент нового каменного храма на том же месте. Строительством руководил губернский архитектор Василий Васильевич Тухтаров. Основным жертвователем строительства выступил купец первой гильдии Марк Пименов. 29 декабря 1852 года храм был освящён архиепископом Аркадием.
Архитектурно собор представляет собой каменный четырёхстолпный храм с пятью главами, центральная из которых является световой. Внутреннее убранство включает иконостас в стиле русского ампира с иконами академического письма, заказанными в Санкт-Петербурге.
В 1858 году на средства купца Петра Васильевича Аврамова был устроен второй престол в честь Вознесения Господня. В 1868 году по его же инициативе к паперти были пристроены каменные отделения для архива и ризницы.
В 1896 году при храме была открыта церковно-приходская школа для детей зарецкого квартала. В 1898 году церковный совет принял решение построить при храме школьное здание, на строительство которого пожертвовал средства, в том числе, отец Иоанн Кронштадтский.
В советский период храм оставался действующим, хотя с 1924 года до второй половины 1930-х годов в нём служили обновленцы. В конце 1930-х годов, после ареста духовенства, богослужения в храме совершались мирским чином. Официально храм был закрыт летом 1941 года.
Богослужения возобновились в январе 1942 года во время оккупации Петрозаводска финскими войсками. После освобождения города в 1944 году храм был закреплён за верующими как «фактически действующий». В период с 1990 по 2000 год в храме располагалась кафедра епископа Петрозаводского и Карельского.
С августа 2018 года по благословению митрополита Константина в храме проводятся реставрационные работы, включая реставрацию икон, иконостаса и обновление внутреннего убранства. 17 февраля 2019 года митрополит Константин совершил чин великого освящения храма после завершения основных реставрационных работ.
