Первоначально на этом месте находилась деревянная Спасская церковь, построенная в 1787 году. В 1863 году, в связи с ветхостью старого здания, было принято решение о строительстве нового храма. Строительство каменного двухэтажного храма с двумя престолами и колокольней завершилось в 1870 году. Храм был освящён епископом Якутским и Вилюйским Дионисием (Хитровым).
В 1883 году указом Синода церковь была переименована в Олёкминский Спасский собор. При соборе действовала библиотека с церковно-нравственной литературой и с 1902 года — двухклассная церковно-приходская школа. В ограде храма находилось кладбище. Причт собора состоял из протоиерея, священника, диакона и псаломщика, обеспеченных государственным жалованием и ружным содержанием. Собственных домов у членов причта не было; в пользовании собора находился двор с домом и другими постройками, пожертвованными иркутским мещанином Колмыгиным.
На территории прихода располагались две часовни: Кятчинская Симеоновская, построенная в 1872 году жителем Кятчинского наслега С. Антоновым, и Хоринская Михайло-Архангельская, возведённая жителем Мальджегарского наслега М. Артахиным. Кроме того, в городе имелась Александро-Невская часовня, возведённая после 1881 года, и каменная тумба с крестом.
К 1911 году в приходе числилось 4842 прихожанина. Первый приход включал жителей города Олёкминска, нижней станции реки Лены, Мальджегарского и Кятчинского наслегов. Второй приход составляли крестьяне Амгинской и Олёкминской деревень и Мальджегарского наслега.
В советский период храм был закрыт. В его здании размещались сначала общественный клуб, затем Дом соцкультуры. Купола и кресты были сняты, сделана пристройка.
В середине 1990-х годов здание собора было передано Якутской епархии. В 2004 году началась реконструкция Спасского собора. Восстановление храма было завершено в 2005 году. 20 августа 2005 года собор был освящён епископом Якутским и Ленским Зосимой (Давыдовым).