Инициатива его строительства возникла в 1856 году среди купечества Нижегородской ярмарки в память о посещении ярмарки императором Александром II.Купечество обратилось с ходатайством о возведении нового храма к нижегородскому епископу Антонию и губернатору Александру Муравьёву.К 1866 году на собранные пожертвования в размере 454 667 рублей 28 копеек начались подготовительные работы.
Первоначальный проект храма был разработан губернским архитектором Робертом Яковлевичем Килевейном к 1864 году. Однако из-за выявленных недостатков прочности и недостаточности финансирования проект был переработан. Впоследствии молодой архитектор Лев Владимирович Даль предложил новый проект, который также не был утверждён. В результате, 18 ноября 1865 года правительством был утверждён окончательный проект храма, авторство которого точно не установлено.
15 сентября 1867 года был учреждён строительный комитет, а 11 августа 1868 года состоялась повторная закладка собора на Стрелке — месте слияния рек Оки и Волги. Строительство началось 18 августа 1868 года и продолжалось 13 лет, внутренние работы завершились к 1881 году. Высота храма составила 87 метров.
Архитектурно собор представляет собой центрическое сооружение с пятью восьмигранными шатрами, центральный из которых достигает высоты 72,5 метра. В декоре фасада сочетаются элементы русского и романского стилей. Фундамент собора был выполнен по оригинальной технологии, предложенной Килевейном: вместо традиционных свай использован дубовый деревянный плот, обеспечивающий равномерную осадку и долговечность конструкции.
20 июля 1881 года главный престол храма во имя святого благоверного князя Александра Невского был торжественно освящён в присутствии императора Александра III, его супруги Марии Фёдоровны и цесаревича Николая. Собор стал важным духовным центром, особенно во время проведения Нижегородской ярмарки.
В 1929 году, в период советской власти, собор был закрыт, а его ценности изъяты. Зимой 1930 года по решению руководства Волжской флотилии иконостасы и деревянные украшения были разобраны и использованы в качестве топлива. В конце 1930-х годов были демонтированы шатры собора. Здание использовалось под складские помещения, жильё и конторы. Во время Великой Отечественной войны на центральном барабане крыши была размещена зенитная батарея для защиты города от воздушных налётов.
Реставрационные работы начались в 1983 году. В июне 1992 года собор был передан Русской Православной Церкви, и в зимнем приделе преподобного Макария возобновились богослужения. 30 декабря 1998 года митрополит Нижегородский и Арзамасский Николай освятил центральный Александро-Невский престол храма. К 2006 году собор был полностью восстановлен, включая внутренние росписи.
В 2011 году в честь 400-летия подвига Нижегородского ополчения Кузьмы Минина и князя Дмитрия Пожарского был отлит колокол «Соборный» весом 60 тонн, высотой и диаметром по 4 метра. Колокол установлен на временной звоннице у южного входа в собор.
