Собор в стиле классицизма был возведен по проекту архитектора В. П. Стасова в 1825—1829 годах на месте раннего храма. Первая церковь была построена по велению императрицы Елизаветы Петровны в период с 1743 по 1754 год. Строилась она на месте съезжей избы (штаба) гренадерской роты лейб-гвардейского Преображенского полка в память о восшествии императрицы на престол с помощью солдат и офицеров этого полка. В 1832—1833 вокруг собора сооружена ограда, основа которой — стволы трофейных турецких пушек.
Орудия эти взяты со стен турецких крепостей Измаила, Варны, Тульчи, Исакчи, Силистрии, а также захваченные в сражении под Кулевчи. На стволах сохранились вычеканенные гербы Османской империи, а на некоторых из них — данные им имена: «Гнев аллаха», «Священный полумесяц», «Гром извергающий», «Дарю лишь смерть». По повелению императора Николая I в дар собору были выделены 18- и 24-фунтовые трофейные орудия.