Решение о строительстве собора было принято 17 октября 1889 года, спустя год после крушения царского поезда под Харьковом, в котором находились император Александр III с семьёй. В память о чудесном спасении членов царской семьи было решено возвести в Екатеринодаре (ныне Краснодар) величественный храм с семью престолами. Главный престол планировалось посвятить святой великомученице Екатерине, а остальные — небесным покровителям членов императорской семьи: Марии, Николаю, Георгию, Михаилу, Ксении и Ольге.
Местом строительства была выбрана Екатерининская площадь, где с 1818 года находилась деревянная церковь святой Екатерины, к тому времени пришедшая в ветхость. Проект нового храма разработал городской архитектор Иван Клементьевич Мальгерб, известный своими работами в неовизантийском стиле. Закладка собора состоялась 23 апреля 1900 года.
Строительство собора продолжалось с перерывами до 1914 года, причиной чего были финансовые трудности и политическая нестабильность. В течение этого периода были завершены основные строительные работы, включая возведение стен и куполов. Торжественное освящение главного престола состоялось 24 марта 1914 года при активном участии городского головы Михаила Скворикова.
В годы Гражданской войны в усыпальнице собора были погребены видные участники Белого движения, включая генерала Михаила Алексеева. В 1922 году собор был передан обновленческой церкви, а затем подвергся изъятию церковных ценностей под предлогом помощи голодающим Поволжья. В 1930-х годах собор был закрыт, колокола сняты для переплавки, а само здание использовалось как склад.
В 1942 году, во время оккупации Краснодара немецкими войсками, в соборе были возобновлены богослужения, однако здание продолжало использоваться и как складское помещение. Полноценная церковная деятельность была восстановлена в 1944 году после освобождения города. В этот период были изменены названия приделов, за исключением главного, который сохранил своё посвящение святой Екатерине.
К 1000-летию Крещения Руси в 1988 году в соборе были проведены реставрационные работы, включая восстановление настенных росписей и иконостасов. В 1990 году была приобретена звонница из семи колоколов, а в 1992 году — колокол «Благовест» весом полторы тонны. В настоящее время собор располагает двенадцатью колоколами.
Собор является главным храмом Екатеринодарской и Кубанской епархии Русской Православной Церкви и одним из крупнейших храмов России. В 2011–2012 годах были проведены работы по восстановлению главного купола, который был покрыт сусальным золотом. В соборе хранятся частицы святых мощей, включая мощи святой великомученицы Екатерины.
