Инициатива строительства храма возникла в 1873 году, когда по решению Консистории было разрешено возведение каменной церкви на городском кладбище. Строительство осуществлялось на пожертвования различных лиц, и в 1883 году храм был освящён с престолом во имя святого праведного Симеона Верхотурского Чудотворца. Первоначально здание представляло собой белое прямоугольное сооружение с полукруглой апсидой, увенчанное крупной главой на гранёном световом барабане. Главный вход располагался с западной стороны, над притвором возвышался ярус звона шатровой колокольни.
В 1889 году во время сильной бури колокольня рухнула, повредив церковную крышу. Работы по восстановлению были завершены к 14 мая 1890 года под руководством мещанина Павла Михайловича Кутырева. Епархиальный архитектор Ф. Маркелов засвидетельствовал, что ремонт был произведён прочно и из материалов должного качества.
В послереволюционный период храм был передан в аренду общине обновленческого направления в апреле 1922 года. К 1930 году из семнадцати челябинских церквей уцелел только Свято-Симеоновский храм. В августе 1930 года президиум горсовета принял решение о его закрытии, однако благодаря секретной инструкции ВЦИК и СНК РСФСР, предписывающей не изымать единственные молитвенные здания, храм продолжил функционировать.
Во время Великой Отечественной войны Свято-Симеоновский храм стал центром патриотической работы православного духовенства и верующих. Прихожане собрали значительные средства в Фонд обороны и сдали драгоценные металлы на нужды фронта.
Во второй половине XX века храм подвергался реконструкциям: в 1947–1960 годах были построены Казанский придел, хозяйственные постройки и кирпичный забор; в 1976–1977 годах — большой притвор и расширена алтарная часть; в 1986–1990 годах произведена капитальная реконструкция, превратившая церковь в трёхпрестольный кафедральный собор. Статус кафедрального собора храм получил в 1989 году с воссозданием Челябинской епархии.
В ходе реконструкции были возведены два придела: южный в честь Казанской иконы Божией Матери и северный в честь Всех Святых, в земле Российской просиявших. Старая церковь была встроена в новое здание, сохранив массивную главу и колокольню. Храм и приделы завершаются трёхгранными апсидами с собственными небольшими главками, образуя в плане форму креста. На всех главах установлены ажурные, покрытые сусальным золотом кресты.
Фасад собора украшен порталами, филёнчатыми лопатками с изразцовыми вставками, арочными окнами с наличниками и опоясывающим изразцовым фризом. Ростовые живописные и мозаичные образы Спасителя, Пресвятой Богородицы, преподобных Сергия Радонежского, Серафима Саровского, Амвросия Оптинского и других российских святых обрамляют церковь по всему фасаду. Работы выполнялись художницами под руководством Н.В. Чекотиной в 1995–1996 годах.
В 1990 году интерьер храма был расписан группой московских художников, представивших монументальные картины и сцены из Нового Завета, великие и двунадесятые праздники, чудотворные иконы Богородицы, события из истории Православия на Руси и образы почитаемых русских святых. В 2002–2005 годах были обновлены иконостасы северного и южного приделов. Центральный иконостас, одетый в металлическую ризу, сохраняет свой первоначальный вид более века.
