В начале XIX века на месте современного собора находилось городское кладбище, открытое в 1805 году. При кладбище была построена деревянная церковь во имя святого Иоанна Предтечи с приделом во имя Воздвижения Креста Господня. Со временем, по мере расширения города и увеличения числа прихожан, возникла необходимость в более просторном храме.
В 1857 году, благодаря инициативе и финансовой поддержке купцов Антона и Емельяна Шихобаловых, было начато строительство нового каменного храма. Закладка храма состоялась 14 сентября 1857 года, а проект разработал архитектор Эрнест Жибер. Главный престол был освящен в 1861 году.
Архитектурно собор выполнен в стиле московского храмового зодчества XVII века. Он представляет собой пятиглавый храм с шатровой колокольней над входом и способен вместить до двух тысяч человек.
В начале XX века, в связи с ростом числа прихожан, западный фасад собора был расширен. Внутреннее убранство храма было богато украшено: алтари облицованы искусственным мрамором, стены покрыты фресками, выполненными художниками Криволуцким и Князевым в 1909–1910 годах.
После революции 1917 года многие храмы в России подверглись закрытию или разрушению. Однако Покровский собор продолжал функционировать и с 1938 по 1945 годы оставался единственным действующим православным храмом в Самаре.
7 ноября 1977 года в соборе произошел пожар, в результате которого практически полностью была утрачена роспись начала XX века. Ремонтные работы продолжались три года.
В 1996 году была проведена реставрация храма, в ходе которой его шатровые покрытия украсились покрытием «под золото».
