Строительство храма было завершено в 1903 году на средства жителей Гуменской слободы, ныне входящей в состав города Старый Оскол . Первым старостой храма был Алексей Васильевич Емельянов, похороненный с левой стороны от входа в храм. С правой стороны погребён главный жертвователь — Михаил Иванович Винников .
Архитектурно собор представляет собой бесстолпное здание, крестообразное в плане, с трёхъярусной колокольней и тремя полуциркульными апсидами. Стиль сооружения сочетает элементы греческого и русского искусства . Центральный престол освящён в честь святого благоверного князя Александра Невского, приставной — в честь святителя Онуфрия Старооскольского .
В конце 1930-х годов храм был закрыт представителями советской власти. Однако в октябре 1945 года, после окончания Великой Отечественной войны, храм вновь был открыт, и духовная жизнь прихода возобновилась .
До 1995 года храм функционировал как приходской и отличался от других церквей города тем, что с 1955 года в нём неизменно служили благочинные Старооскольского округа. 1 сентября 1995 года, в связи с воссозданием Белгородской и Старооскольской епархии, храм был назначен вторым кафедральным собором епархии .
С 1 октября 1994 года при храме действуют воскресная школа для детей и катехизаторские курсы для взрослых. В 1998 году воскресная школа была преобразована в православную гимназию. В сентябре 2009 года открыт Центр православной молодёжи «Невский» .
Иконостас собора трёхъярусный, выполнен из резного дерева с позолоченной резьбой. Верхний ярус представлен одной иконой. Арочные завершения ярусов и декоративное убранство иконостаса выполнены в стилистике архитектуры собора. К Святой Пасхе 1999 года мастерами Троице-Сергиевой лавры было завершено написание новых канонических икон для иконостаса в стиле Андрея Рублёва .
Особо чтимыми иконами собора являются: образ Божией Матери «Скоропослушница», великомученика Пантелеймона как благословение Святой горы Афон, образ Божией Матери «Озерянская» и «Казанская», преподобного Серафима Саровского с частицей святых мощей, благоверного князя Александра Невского с частицей святых мощей, священномученика Онуфрия .
В 2006 году на территории собора была построена надкладезная сень на пожертвования Ивана Гусарова, генерального директора старооскольской ассоциации «Промстройиндустрия», в память о его сыновьях — Василии и Сергее .
