Pierwszą cerkiew w Jekaterynosławiu zbudowano pod koniec XVIII w. Była to drewniana świątynia, konsekrowana 15 stycznia 1791 r. pod wezwaniem Kazańskiej Ikony Matki Bożej. W latach 30. XIX w., w związku ze złym stanem technicznym cerkwi, miejscowi kupcy wystąpili z inicjatywą wzniesienia na jej miejscu murowanej świątyni. Projekt sporządziło dwóch petersburskich architektów – Louis Charlemagne-Baudet i Pietro Visconti. W 1837 r. wyświęcono miejsce pod budowę cerkwi[2]. Prace budowlane ukończono do 1855 r.[3]
W latach 60. XIX w. w sąsiedztwie cerkwi wzniesiono kamienną dzwonnicę. W późniejszym czasie pomiędzy cerkwią a dzwonnicą zbudowano łącznik, w wyniku czego powierzchnia świątyni wzrosła niemal dwukrotnie. Obok cerkwi wzniesiono budynek szkoły parafialnej. Przed 1910 r. świątynia została gruntownie wyremontowana[2].
W latach 20. XX w. cerkiew zaczęła pełnić funkcje soboru katedralnego[3].
W 1934 r. sobór został zamknięty; w budynku urządzono magazyn. Przywrócenie funkcji kultowych nastąpiło w 1942 r. W latach pięćdziesiątych przeprowadzono w świątyni prace konserwatorskie[2].
