Заложен 11 июля 1893 г. в память освобождения города от неприятельских войск во время Крымской войны на месте серьёзно повреждённого при оккупации города англо-франко-сардино-турецкими агрессорами и сильно обветшавшего здания церкви Святителя Николая Мирликийского. Инициатором строительства выступил протоиерей Яков Чепурин, который в 1891 г. начал собирать пожертвования. В сборе денег участвовали караимская, еврейская, мусульманская, армянская и греческая общины, а также городская казна. В 1892 г. император Александр III выделил 36 тысяч рублей. Торжественное освящение собора состоялось 16 февраля 1899 г.
При советской власти собор периодически закрывали и открывали. В соборе были и художественная мастерская и складское помещение для пшеницы. Вновь открыт для богослужений в годы Великой Отечественной войны с разрешения немецкой оккупационной администрации, после освобождения Крыма в 1944 г. советскими войсками продолжал действовать.
Памятник градостроительства и архитектуры регионального значения, номер в Государственном реестре объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов России 911710948260005.