Инициатива строительства собора возникла в конце XIX века, когда купец третьей гильдии Козьма Карпов, выиграв значительную сумму в государственной лотерее, решил направить средства на благотворительные цели. По совету Иоанна Кронштадтского, он пожертвовал 90 тысяч рублей, свой двухэтажный деревянный дом и икону Покрова Пресвятой Богородицы для возведения нового храма на месте старой церкви, принадлежавшей Пятогорскому женскому монастырю.
Проект собора был разработан главным архитектором Гатчины Леонидом Харламовым при участии инженера Александра Барышникова. Строительство началось в 1904 году и продолжалось до 1914 года. В работах активно участвовали местные жители и сестры Пятогорского монастыря, которые занимались иконописью и золочением иконостаса и крестов.
Архитектурный облик собора выполнен в стиле русского шатрового зодчества. Здание отличается белыми стенами и голубыми куполами, что придает ему выразительный внешний вид. Фасады украшены декоративными элементами, включая кокошники и полихромные изразцы, которые создают игру света и тени. Внутреннее убранство включает резной иконостас, выполненный из дуба.
Главный придел храма был освящен 8 октября 1914 года во имя Покрова Пресвятой Богородицы. Южный придел освящен во имя святого Александра Невского, а северный — во имя Николая Чудотворца. В 1918 году в подвале собора был устроен придел во имя святого Иоанна Крестителя и мученицы Лидии.
В 1939 году собор был закрыт, и его помещения использовались под склад. Во время оккупации Гатчины в годы Великой Отечественной войны в здании храма размещался склад осветительных приборов. В 1990 году собор был возвращен православной общине, и в 1991 году в нем состоялось первое богослужение после долгого перерыва.
В 1996 году в подвальной части собора был устроен нижний храм в честь святого Иоанна Кронштадтского. В 2011 году фасады собора были оштукатурены и покрашены в белый цвет, завершив тем самым внешний облик здания.
