Первое упоминание о храме в Павловске относится к 1841 году, когда в здании казарм Образцового Кавалерийского полка была устроена деревянная Никольская церковь. Храм предназначался для солдат и офицеров полка. После перевода воинского подразделения в Санкт-Петербург в 1868 году церковь перешла к 5-й батарее Гвардейской конно-артиллерийской бригады. Иконостас был перенесен из Знаменской церкви Царского Села в 1865 году.
В 1894 году к храму был прикомандирован священник Иоанн Жемчужин. В 1898 году церковь получила статус гарнизонной. В том же году начался процесс сбора средств и согласования проекта нового каменного храма. Первоначальные проекты были отвергнуты владельцем Павловска великим князем Константином Константиновичем, который требовал создания «художественной и красивой» церкви.
Окончательный проект в русском стиле был разработан академиком архитектуры А.И. фон Гогеном при участии инженера В.Л. Гофмана. Строительство велось с 1900 по 1904 год. Храм был освящен 15 августа 1902 года протопресвитером военного и морского духовенства Александром Желобовским в присутствии членов императорской фамилии.
Здание собора выполнено из красного кирпича французского производства с оштукатуренными декоративными элементами. Храм пятиглавый, с шатровыми башенками по углам, украшенными царскими гербами. В интерьере находился трехъярусный дубовый иконостас работы резчика П. Субботина с иконами на чеканном фоне. Царские врата украшали изображения на фарфоре работы художницы Н.В. Зедергольм.
В 1933 году храм был закрыт советскими властями. Здание использовалось как клуб, затем как мастерская по ремонту бронетехники и склад. В период Великой Отечественной войны храм пострадал от обстрелов, хотя в 1941-1943 годах в нем временно возобновлялись богослужения.
В 1987 году здание было взято под государственную охрану как памятник архитектуры. В 1991 году храм возвращен Русской Православной Церкви. Реставрационные работы продолжались до 2004 года. В 1995 году собор включен в список объектов исторического и культурного наследия федерального значения.