В 1825 году руководство Александровского пушечно-литейного завода получило разрешение на строительство заводской церкви. Митрополит Новгородский Серафим благословил создание нового храма. Для организации строительства была создана комиссия под председательством управляющего Олонецкими горными заводами Адама Армстронга. Был объявлен конкурс проектов, в котором приняли участие архитекторы Джакомо Кваренги, Луиджи Руска и Александр Постников. Победил проект Александра Постникова. Строительство началось в 1826 году под руководством архитектора Пьетро Карло Мадерни и продолжалось до 1832 года. Храм был освящен 27 января 1832 года первым епископом Олонецким и Петрозаводским Игнатием (Семёновым).
Архитектурно собор выполнен в стиле русского классицизма. Это двухэтажное кирпичное здание с центральным куполом, фасады которого украшены колоннами и фронтонами. Внутреннее убранство включало иконостас, созданный под руководством мастера Андрея Боброва, и иконы, написанные художником Алексеем Чижовым.
В 1929 году, в период антирелигиозной политики советского государства, собор был закрыт и передан краеведческому музею. В последующие годы здание использовалось для различных нужд, что привело к утрате значительной части внутреннего убранства и повреждению архитектурных элементов.
В 1991 году собор был возвращен Русской Православной Церкви. Начались реставрационные работы, направленные на восстановление первоначального облика храма. 3 июня 2000 года собор был вновь освящен Патриархом Московским и всея Руси Алексием II и получил статус кафедрального.
