При Императоре Петре I на этом месте стояла деревянная часовня.Первый, походный, храм лейб-гвардии Измайловского полка устанавливался в летом близ устья Фонтанки, в деревне Калинкиной. После перехода полка вверх по реке, в 1742 году храм был перемещён в деревянную казарму.
Богослужения в церкви проводились только в летний период, так как в храме было холодно. Церковь сильно пострадала во время наводнения в 1824 году.
После наводнения было решено разработать проект нового каменного храма. Образцом должна была послужить старая деревянная церковь.
Строительство проводилось на личные средства императора Николая I и деньги из казны. Через 4 года здание было готово снаружи и началась внутренняя отделка. В процессе строительства пришлось восстанавливать сорванный бурей купол и переписывать некоторые образа.
25 мая 1835 года митрополит Московский Филарет торжественно освятил храм.
Собор был закрыт 22 апреля 1938 года. Предполагался его снос или реконструкция в городской крематорий. Здание храма сильно пострадало в Великую Отечественную войну. В 1952—1953 и 1966—1967 годах была проведена реставрация внешнего вида. В самом здании располагался склад.
Храм возвращён Русской православной церкви в 1990 году. В 2004 году восстановление было продолжено. 25 августа 2006 года случилось возгорание строительных лесов, сооружённых для реставрации купола собора, переросшее в сильный пожар. Храм полностью восстановлён в 2009 году.