История православия на Сахалине началась в XIX веке, когда в 1868 году священник Симеон Казанский прибыл на остров для исполнения духовных треб в населённых пунктах Дуэ, Кусунай и Анива. В 1870 году он заложил один из первых сахалинских храмов во имя святителя Николая в посту Корсаковском. К концу 1880-х годов на острове существовало пять приходских церквей, все они были деревянными и строились преимущественно на казённые средства.
В советский период все храмы на острове были разрушены или перестроены, последний храм был закрыт в 1930 году. Восстановление церковной жизни началось в 1989 году с регистрации общины в Южно-Сахалинске и приобретения помещения для её нужд. В 1993 году была образована Сахалинская епархия Русской Православной Церкви, что дало импульс к открытию новых приходов и строительству храмов на острове.
Храм в Южно-Сахалинске был построен в рамках этой программы возрождения православия на Сахалине. Он представляет собой кирпичное здание, выполненное в традиционном русском стиле, с использованием композиционных приёмов, восходящих к архитектуре Новгорода. Проект храма разработал архитектор Сергей Миченко. Строительство началось в 1992 году и завершилось в 1995 году. 7 января 1995 года в праздник Рождества Христова в новом храме прошло первое богослужение.
В 2002—2003 годах была проведена реконструкция собора: устроены хоры, увеличена площадь трапезной, притвора, построена колокольня. На территории храма возвели звонницу, которую украсил колокол весом в одну тонну, изготовленный по специальному заказу епархии на колокололитейном заводе в Воронеже. На колоколе изображение святителя Иннокентия, митрополита Московского, просветителя Дальнего Востока и Америки.
В октябре 1997 года в нижнем помещении собора начались работы по устройству храма Воскресения Словущего. 4 апреля 1998 года в день Похвалы Пресвятой Богородицы нижний храм был освящен в честь праздника Обновления храма Воскресения Христова в Иерусалиме в 355 году. В нижнем храме проводятся ранние воскресные богослужения и крещения.
В 2007 году на территории кафедрального собора началось строительство Духовно-просветительского центра, в составе которого планировались лекторий, воскресная школа, православная библиотека и другие помещения. 3 марта 2010 года состоялось открытие центра.
4 сентября 2016 года Патриарх Московский и всея Руси Кирилл возглавил чин великого освящения нового кафедрального собора в честь Рождества Христова в Южно-Сахалинске, после чего Воскресенский собор потерял статус главного храма епархии.
