Строительство собора традиционно датируют началом XVI века. Существуют различные версии относительно точного времени закладки и завершения строительства, однако общепризнанно, что собор был возведён между 1507 и 1533 годами. Архитектурное оформление собора демонстрирует влияние итальянского Ренессанса.
Изначально собор был четырёхстолпным крестово-купольным храмом с пятью главами и позакомарным покрытием. По сторонам его обвивали двухъярусные галереи. Храм стоял на высоком подклете, а под ним располагались большие погреба, выложенные белым камнем. Особенностью внешнего декора являются три уникальных изразцовых барельефа XVI века, изображающих Георгия Победоносца и два распятия.
В XVII веке собор подвергся значительным изменениям. В 1660-е годы к храму была пристроена лестница на ползучих арках, а в 1793—1796 годах по проекту архитектора М. Я. Агафонова была построена колокольня в стиле классицизма. В 1820-е годы, возможно, под руководством Александра Элькинского, реконструировали купол колокольни и установили часы. В 1823—1825 годах итальянский мастер Л. Карлони построил Покровский придел в псевдоготическом стиле по проекту Фёдора Шестакова. В 1841 году архитектор Дмитрий Борисов возвёл аналогичный придел с южной стороны. Также были добавлены четыре широких деревянных барабана с куполами, придавшие собору пирамидальную композицию.
В советский период собор претерпел значительные изменения. В 1932 году храм был закрыт и передан музею. В годы Великой Отечественной войны, несмотря на угрозу разрушения, собор использовался как бомбоубежище, что способствовало его сохранению. После войны, в 1961—1965 годах, была проведена реставрация под руководством Е. Р. Куницкой, в ходе которой восстановили колокольню, но угловые барабаны не были возвращены.
В 2001—2003 годах, после новой реставрации под руководством В. И. Нестеренко и архитекторов А. В. Яганова и И. Ю. Коровина, угловые барабаны были восстановлены, и храм приобрёл свой первоначальный облик. Богослужения возобновились в 1991 году в одном из приделов, а в 2002 году музей был переведён в новое здание. 23 июля 2003 года собор был освящён и полностью передан Русской Православной Церкви.
Интерьер собора сохранил резной иконостас работы мастеров Оружейной палаты конца XVII века, а также роспись XIX века. Особое внимание заслуживает икона Дмитрия Солунского XII века, перенесённая в собор в период с 1646 по 1713 годы. В советское время эта икона была передана в Третьяковскую галерею.
