В 1835 году, по указу императора Николая I, было принято решение о строительстве городского собора в Царском Селе, предназначенного для удовлетворения религиозных потребностей местного населения. Проектирование и руководство строительством были поручены архитектору Константину Андреевичу Тону, известному своими работами в русско-византийском стиле.
Закладка собора состоялась в 1835 году, а уже 24 ноября (6 декабря) 1840 года главный престол был освящен в присутствии императора Николая I и наследника цесаревича Александра Николаевича.
Архитектурно собор представлял собой пятиглавый храм, выполненный в русско-византийском стиле. Фасады здания украшали декоративные элементы, характерные для данного стиля, включая арочные окна и орнаментальные пояса. В интерьере собора находился резной иконостас, выполненный по проекту Тона, и многочисленные иконы, написанные известными художниками того времени.
В 1862 году в результате пожара собор значительно пострадал, что потребовало проведения восстановительных работ. К 1865 году реставрация была завершена, и храм вновь открыл свои двери для прихожан.
После Октябрьской революции 1917 года собор продолжал функционировать, однако в 1938 году, в период антирелигиозной кампании советской власти, был закрыт. В июне 1939 года здание собора было взорвано, а на его месте впоследствии установлен памятник В.И. Ленину.
В начале XXI века возникла инициатива по воссозданию собора на его историческом месте. В 2006 году были проведены археологические исследования, подтвердившие возможность восстановления храма. Строительные работы начались в 2007 году и завершились в 2010 году. Воссозданный собор максимально точно повторяет архитектурные особенности оригинального здания, включая пятиглавие и декоративное оформление фасадов.
В настоящее время собор во имя святой великомученицы Екатерины является действующим храмом, выполняющим религиозные и культурно-просветительские функции. В нем регулярно проводятся богослужения, а также организуются мероприятия.
