Покровский кафедральный собор в Барнауле был основан как деревянная церковь во имя Покрова Пресвятой Богородицы с приделом святого благоверного князя Александра Невского. Освящение состоялось 4 августа 1863 года. Храм возвели в Заячьей слободе, населенной преимущественно мещанами, ремесленниками и крестьянами. Проект был разработан на основе чертежей ранее существовавшей Захариевской церкви, а строительство велось с использованием материалов от разобранного храма.
В 1898 году началось строительство каменного собора на месте обветшавшей деревянной церкви. Закладка первого камня произошла 9 августа 1898 года, а освящение завершенного храма — 29 сентября 1904 года. Собор был возведен в русско-византийском стиле из красного кирпича на частные пожертвования. Архитектурный проект выполнен в традициях псевдорусского стиля с крестообразной планировкой и луковичным куполом над средокрестием.
В 1918-1928 годах интерьер храма был расписан масляными красками по сухой штукатурке. Роспись выполнена по проекту художника Н. В. Шварева с использованием сюжетов картин В. М. Васнецова, М. В. Нестерова и И. Н. Крамского. Собор имеет четыре престола: главный — в честь Покрова Пресвятой Богородицы, левый — во имя святого благоверного князя Александра Невского, правый — во имя святого великомученика и целителя Пантелеимона, нижний — во имя преподобного Серафима Саровского.
В 1939 году храм был закрыт, колокольня и крест уничтожены, а здание использовалось как складское помещение. В 1943 году собор возвращен Русской Православной Церкви. Освящение после ремонта состоялось в марте 1944 года. В начале 1950-х годов началась реставрация сохранившихся росписей. В 1993 году восстановлена колокольня.
