1 марта того 1881 года на Екатерининском канале бомбой был убит император Александр II. Его сын и наследник решил возвести храм на месте гибели отца. Он хотел, чтобы храм был выполнен в традициях русской архитектуры XVII века. Выбор пал на архитектора Альфреда Парланда. Строительство небольшого, но богато оформленного храма-памятника началось в 1883 году и растянулось на долгие двадцать четыре года.

Здание решено в духе эклектики и отличается пышностью декора. А.А.Парланд спроектировал не только архитектуру здания, но и его художественное оформление. Он создал двадцать эскизов для крупных мозаичных панно, а также эскизы орнаментов, сень, киоты и иконостас. Помимо этого он опоясал пространство перед собором затейливой оградой с растительным узором, которая стала не менее знаменитой, чем ограда Летнего сада.

В отделке интерьеров использованы русские самоцветы (яшма, орлец, горный хрусталь, топазы и другие) и несколько видов итальянского мрамора. Колокольню украшают мозаичные гербы городов и губерний Российской империи.

В 1930 году собор был закрыт. Многие годы его судьба висела на волоске – до 1956 года власти обсуждали вопрос о сносе здания не только как культового сооружения, но и как царского мемориала. К моменту реставрации в начале 1970-х годов здание находилось в аварийном состоянии. Восстановление храма происходило медленно, пока наконец в 1997 году он не открылся для посетителей.