В начале XVII века на месте современного собора находилась деревянная церковь, являвшаяся частью Воскресенского мужского монастыря. В 1662 году по инициативе князя Михаила Яковлевича Черкасского монастырь был перенесён на остров вблизи села Ворсма, где впоследствии стал известен как Свято-Троицкий Островоезерский монастырь. Несмотря на это, монастырь в Павлове продолжал функционировать до середины XVIII века, о чём свидетельствует грамота митрополита Сильвестра от 1715 года, предписывающая надзор за иноками монастыря протоиерею Алексею из Преображенской церкви.
В 1778 году на месте прежней деревянной церкви был построен каменный храм, освящённый в честь Воскресения Христова. Главный престол был посвящён Воскресению Христову, правый — Казанской иконе Божией Матери, освящённый архимандритом Димитрием, а левый — апостолам Петру и Павлу, освящённый игуменом Серапионом. В 1805 году над папертью была возведена колокольня, для которой в 1843 году был отлит колокол весом более 300 пудов. В храме находились ценные святыни, включая иконы, написанные Симоном Ушаковым, и богослужебные книги XVII века.
К 1903 году к церкви были приписаны две часовни: каменная, расположенная в 60 метрах к югу от храма, и деревянная на углу Дубовской улицы. Приход включал 197 дворов в селе Павлово и деревне Заплатино. Церковь обладала значительным материальным достатком, о чём свидетельствует оценочная стоимость главного иконостаса в 3000 рублей, а иконостасов в приделах — по 1000 рублей каждый.
После революции 1917 года храм был закрыт. Последним настоятелем перед закрытием был Алексей Фёдорович Авдентов, родившийся в 1870 году в селе Мокса Нижегородской губернии. После закрытия храма он служил в кладбищенской церкви села Павлово. 19 ноября 1937 года он был арестован по обвинению в контрреволюционной деятельности и 14 декабря того же года расстрелян. В августе 1989 года прокуратура Горьковской области отменила приговор, и отец Алексей был реабилитирован.
В последующие десятилетия храм находился в запустении. В 1990-е годы начались работы по восстановлению собора. Были проведены реставрационные работы, включая замену купола и восстановление внутреннего убранства. Собор вновь стал действующим и начал выполнять функции кафедрального храма.
Архитектурно собор представляет собой образец русского классицизма с элементами барокко. Он имеет прямоугольный в плане объём с пятиглавием и высокую колокольню. Фасады украшены пилястрами и арочными окнами. Внутреннее убранство включает иконостасы, выполненные в традициях русской иконописи.
