Храм был заложен, как гарнизонная церковь Павловска, 30 июня 1900 года, неподалеку от старого, впоследствии разобранного одноименного деревянного храма. Постройка была инициирована первым настоятелем церкви отцом Иоанном Жемчужиным и окончательно завершена в 1904 году. Строительство храма было благословлено Иоанном Кронштадтским, так же внесшим пожертвование на постройку.
Первая попытка закрыть храм была предпринята 7 ноября 1930 года. Окончательное закрытие состоялось 20 ноября 1933 года.
Здание церкви было передано под клуб воинской части, позже превращено в склад и мастерскую по ремонту бронетехники, что привело к сильным повреждениям церкви.
Храм сильно пострадал в период Великой Отечественной войны от обстрелов, несмотря на это с конца 1941 года по 1943 год в церкви проводились службы.
После окончания войны в храме находились ремонтные мастерские, его помещение было переустроено. С 1960 годов в церкви был устроен военный склад и установлена внутренняя стена.
С 1987 года здание храма находится под государственной охраной как памятник архитектуры местного значения.
Церковь (уже в статусе собора) возвращена верующим в 1991 году, 6 мая этого года в ней прошел первый молебен.
В 1995 году собор был включён в реестр объектов исторического и культурного наследия федерального значения.
В настоящее время храм полностью восстановлен. В 2001 году в церкви устроен боковой Георгиевский придел.
При соборе действуют швейная мастерская и церковно-приходская школа.