В начале 1840-х годов увеличение числа прихожан единственной в Луге Екатерининской церкви привело к решению о её реконструкции. Однако техническая экспертиза отклонила предложения о расширении за счёт пристройки двух приделов. Санкт-Петербургская духовная консистория предложила обществу и начальству города Луги построить новый собор. В 1869 году был разработан проект новой церкви архитектором В.В. Виндельбандтом, представленный 19 февраля того же года. В том же году было создано попечительство по постройке храма, проект которого был окончательно утверждён 10 декабря 1870 года епархиальным архитектором Г.И. Карповым. Закладка нового храма состоялась в 1873 году. Собор предполагалось выстроить трёхпрестольным, в византийском стиле. В связи с отсутствием средств работы по постройке неоднократно останавливались. Попечительство обратилось за помощью в Епархиальное ведомство, где с целью уменьшения расходов было поручено епархиальному архитектору Г.И. Карпову составить новый проект. Карпов переработал проект, изменив пятиглавый собор на одноглавый с окружающими восьмью главками, уменьшил колокольню, убрал излишние наружные украшения, что позволило снизить стоимость работ. В мае 1882 года проект Карпова получил окончательное утверждение. Собор был закончен вчерне в 1884 году, а полностью строительство было завершено в 1887 году. 20 сентября 1887 года храм был освящён. Северный (левый) придел был освящён позже и посвящён Успению Пресвятой Богородицы. Южный (правый) придел первоначально планировалось посвятить святому благоверному князю Александру Невскому, однако при освящении он был посвящён Иоанну Богослову. Освящение южного придела 12 ноября 1896 года совершил Иоанн Кронштадтский. Снаружи храм был окрашен по кирпичу в белый цвет. На колокольне размещались 12 колоколов. Собор украшал четырёхъярусный резной иконостас с образами, исполненными в мастерской школы А.М. Горностаева. Все колонны и стены храма были расписаны на евангельские сюжеты.
В 1891 году началось строительство часовни, расположенной к северу от собора, в одном из пролётов ограды Городского сада. Проект часовни разработал академик архитектуры Л.Л. Петерсон. Строительство было завершено в 1892 году. Часовня посвящалась трём событиям и называлась: «В память мученической кончины Александра II, столетия городского Екатерининского собора и чудесного спасения Их Императорского Величества и Августейшей семьи».
В 1930-е годы собор был закрыт. Во время войны была обезглавлена колокольня. После войны в соборе планировалось открыть музейную экспозицию, а колокольню приспособить под водонапорную башню, украшенную с четырёх сторон башенными часами. Однако эти планы не были реализованы. Долгое время собор стоял в разрушенном состоянии. Лишь в 1970-е годы было принято решение о возвращении памятнику первоначального облика, ввиду его исторической, художественной и градостроительной ценности.
