Идея строительства собора возникла в конце XIX века в связи с необходимостью создания храма, посвященного памяти всех погибших моряков. В 1897 году вице-адмирал П. П. Тыртов получил высочайшее разрешение на сбор пожертвований для строительства храма. В 1901 году император Николай II и морской министр адмирал З. П. Рожественский приняли решение о возведении собора в Кронштадте.
Закладка первого камня состоялась 8 мая 1903 года в присутствии императора Николая II и членов его семьи. Строительство велось по проекту архитектора Василия Антоновича Косякова в неовизантийском стиле. Собор был задуман как храм-памятник всем погибшим морякам, с черными и белыми мраморными досками, на которых были увековечены имена офицеров и нижних чинов морского ведомства.
Архитектурно собор представляет собой крестово-купольное сооружение с большим центральным куполом диаметром 26,7 метра, установленным на барабане с 32 окнами. Высота здания до верхней точки креста составляет 70,5 метра. Фасады облицованы желтым кирпичом с терракотовыми вставками, а цоколь и колонны выполнены из черного гранита. Внутреннее убранство включало мраморный иконостас, мозаичные изображения и росписи, выполненные школой Михаила Васильева.
Собор был освящен 10 июня 1913 года в присутствии императора Николая II и членов его семьи. После революции 1917 года собор продолжал функционировать до 1929 года, когда был закрыт и переоборудован под клуб и кинотеатр имени Максима Горького. В последующие годы здание использовалось как Матросский клуб ВМФ, а в 1980 году в нем разместился музей «Кронштадтская крепость».
В 2002 году на главный купол собора был установлен крест, а в 2005 году состоялось первое после долгого перерыва богослужение. В 2013 году, после завершения реставрационных работ, собор был вновь освящен патриархом Кириллом и стал главным храмом Военно-морского флота России.
