Первая деревянная церковь Покрова Пресвятой Богородицы в Сарапуле была построена в начале XVIII века. В 1770 году на её месте возведена новая деревянная церковь, которая сгорела в 1776 году. В 1785 году Вятская духовная консистория выдала храмозданную грамоту на строительство новой каменной церкви. Строительство велось на средства прихожан и было завершено в 1791 году. Автором проекта выступил вятский губернский архитектор Филимон Меркурьевич Росляков. В храме было три престола: главный — в честь Покрова Пресвятой Богородицы, правый — в честь святого Николая Чудотворца, левый — в честь святых мучеников Флора и Лавра.
В 1818 году на пожертвования сарапульского купца Степана Ивановича Вечтомова была построена каменная колокольня, в нижнем ярусе которой устроен храм в честь святых апостолов Петра и Павла. В 1902 году храм и колокольню отремонтировали на средства купца Николая Васильевича Смагина и его жены Анны Васильевны. В 1905 году на их же средства была расширена колокольня и пристроен трапезный храм с двумя боковыми приделами — в честь преподобного Серафима Саровского и в честь Сретения Господня.
В 1916 году к церкви были приписаны Усть-Сарапульская, Сигаевская, Костинская, Лубянская и Непряхинская часовни, а также домовая церковь в честь святой Анны Пророчицы при богадельне Н. В. Смагина.
Во время Гражданской войны Покровская церковь сильно пострадала от обстрелов с левого берега реки Камы. Храм был закрыт по распоряжению Удмуртского облисполкома от 23 мая 1932 года и переоборудован под хлебопекарню.
Здание было возвращено Русской Православной Церкви в середине 1990-х годов в ветхом, заброшенном состоянии. В 2012 году храм был восстановлен на средства ОАО «Русснефть». В 2014 году глава восстановленной Сарапульской епархии разместил в Покровской церкви свою кафедру, придав ей статус кафедрального собора. В 2014 году начались работы по внутренней росписи храма.
Архитектурно собор представляет собой образец классицизма с элементами барокко. Основной объём здания — прямоугольный корпус с пристроенным с восточной стороны алтарём. В 1815 году с южной и северной стороны были пристроены портики с колоннами, а с западной стороны — высокая паперть. Колокольня, построенная в 1818 году, была освящена в честь святых апостолов Петра и Павла и стала самостоятельной Петропавловской церковью.
