Церковь возведена в 1911–1913 годах к 300-летию царствования Дома Романовых по проекту архитектора Степана Самойловича Кричинского. Нижний храм был посвящён знаменитому представителю династии Рюриковичей святому благоверному великому князю Александру Невскому, верхний храм – Феодоровской иконе Божией Матери, родовой иконе Дома Романовых, которой был благословлен на царство боярин Михаил Романов. Освящение храма состоялось 15 января 1914 года в присутствии императора Николая II и членов царской фамилии.
В 1907 году, в ознаменование приближающегося 300-летия Дома Романовых, было решено соорудить в столице собор, напоминающий допетровские храмы Верхневолжья. В 1909 году был учреждён строительный комитет, который был принят под августейшее покровительство великим князем Михаилом Александровичем, председателем комитета стал свитский (до 25 октября 1909 года — при великом князе Михаиле Александровиче) генерал-майор Д.Я. Дашков.
В конкурсе проектов победил проект архитектора Степана Самойловича Кричинского (1874—1923). В 1910 году проект был принят к осуществлению. Для постройки храма было выбрано место на пересечении Полтавской и Миргородской улиц, возле Николаевского вокзала (ныне Московский вокзал).
Закладка храма состоялась 5 августа 1911 года в присутствии великого князя Михаила Александровича. Богослужение возглавил архиепископ Волынский Антоний (Храповицкий), после молебна присутствовавшие клали в приготовленное углубление в месте закладки монеты. Великий князь опустил монету времени царя Михаила Фёдоровича. Храм строился на всенародные пожертвования (было собрано пятьсот тысяч рублей).
7 сентября 1913 года были освящены боковые приделы нижнего храма, а 15 января 1914 года состоялось освящение главного придела верхнего храма. Совершил освящение митрополит Владимир (Богоявленский) в присутствии императора Николай II с дочерьми Ольгою, Татьяной и Марией, а также великой княгини Елисаветы Феодоровны.
Среди многочисленных колоколов на колокольне собора были в том числе и «именные», посвящённые каждому из членов семьи Николая II.
Существовали планы установить на площади перед храмом памятник Александру Невскому.
В 1932 году храм был закрыт и перестроен под молокозавод. В течение сорока лет церковь, полностью перепланированная внутри, стояла без главок. Постепенно вокруг здания появлялись различные пристройки. В 1970-е годы планировался визит президента США Ричарда Никсона и его посещение Санкт-Петербурга, по этой причине были демонтированы барабаны, напоминавшие о первоначальном назначении здания.
Храм-часовня святых новомучеников и исповедников Российских
В 1993—1998 годах, до восстановления Фёдоровского собора, рядом с ним была возведена Храм-часовня святых новомучеников и исповедников Российских (освящена 28 марта 1998 года).
Храм-часовня святых новомучеников и исповедников Российских у Фёдоровского собора
Вид с северо-востока.Первоначально планировалось построить временную деревянную часовню, но в ходе проектирования решили возвести небольшой по размерам храм с алтарем и престолом. Автором проекта Храма-часовни был Георгий Александрович Васильев.
В 2005 году бывшее здание Фёдоровского собора передано в бессрочное пользование Епархии для последующего восстановления. 28 августа 2005 была совершена первая после закрытия храма Божественная Литургия.
Реставрация собора завершилась в 2013 году. В настоящее время в храме совершаются регулярные богослужения.
Архитектура
Фёдоровский собор, по замыслу архитектора Кричинского, решён в стиле ростовских и ярославских храмов 16-17 веков. Выстроен он из железобетона. Пятикупольный храм мог вместить три с половиной тысячи человек. Высота церкви 48 метров, а площадь — 350 квадратных метров.

Храм-часовня, Фёдоровский собор и стена ограды
Вид с северо-востока.
С самого начала церковь была украшена цветными изразцами и майоликой. Северный фасад (выходящий на Миргородскую улицу), облицованный белым старицким камнем, украшает большое майоликовое панно с изображением родословного древа Романовых и Фёдоровской иконы.

Майоликовое панно с изображением родословного древа Романовых и Фёдоровской иконы на фасаде Фёдоровского собора
Фрагмент северного фасада. Вид с северо-востока.
По сторонам от иконы изображены святой благоверный князь Александр Невский (слева) и преподобный Михаил Малеин (справа).
В честь преподобного Михаила Малеина был назван первый царь династии Романовых Михаил Фёдорович, родившийся 12 июля — в день памяти преподобного Михаила Малеина.
Над входом в храм размещена копия работы Виктора Михайловича Васнецова «Мозаичный Спас».
Одна из стен ограды церковного здания стилизована под крепостную стену (напоминает стену Московского кремля), символизируя единение Москвы и Санкт-Петербурга.

Стена ограды Фёдоровского собора стилизованная под крепостную стену
Декоративная стенка проходит над Полтавским проездом, к северо-востоку от собора. Вид с северо-востока.
Собор имеет статус объекта культурного наследия (памятника архитектуры) федерального значения под наименованием: Собор Феодоровской иконы Божией Матери, Преподобного Михаила Малеина и Святого Благоверного князя Александра Невского. В состав его ансамбля, помимо здания самого храма, входят звонница и ограда (стена).