Собор Серафима Саровского в городе Кирове был заложен в 1904 году для единоверческой общины Вятки. Земельный участок под строительство пожертвовали вятские купцы К.К. Ярунин и А.Я. Тырышкин. Архитектурный проект выполнен губернским архитектором И.А. Чарушиным в неорусском стиле с элементами модерна. Храм возводился исключительно на средства прихожан и был завершен к 1906 году.
5 ноября 1907 года состоялось освящение храма епископом Вятским и Слободским Филаретом. Первым настоятелем в 1908 году был назначен священник Терентий Иовлевич Широких. Изначально собор имел один престол во имя преподобного Серафима Саровского, канонизированного в 1903 году.
В конце 1930-х годов храм стал последним действующим в городе. В 1940 году его закрыли, разместив в здании атеистический музей. В 1942 году собор был вновь открыт и получил статус кафедрального, который сохранял до 1990 года. В этот период он оставался единственным действующим храмом в Кирове.
В 1950-х годах в подвальном помещении был устроен нижний храм во имя преподобного Трифона и блаженного Прокопия Вятских. В 1980-е годы проведена реконструкция: расширены подвальные помещения, где освятили придел в честь святых мучеников Хрисанфа и Дарии. Галереи основного здания были преобразованы в дополнительные приделы.
Архитектурное решение храма включает пятиглавое завершение центрального объема, четырехъярусную колокольню и декоративные элементы в виде кокошников. Первоначально фасады были выполнены из красного кирпича с белокаменными деталями, позднее окрашены суриком. Кровля глав первоначально была из черного железа, в 1990-х годах заменена на медное покрытие.