Закладка храма совершена 17 октября 1846 года настоятелем гатчинской дворцовой церкви протоиереем Александром Окиным, в присутствии императора. Строительство завершено в 1852 году.
В 1915 году был осуществлен капитальный ремонт собора.
В феврале 1938 года богослужения в соборе были прекращены, в связи с арестом всех его священнослужителей, хотя официально он был закрыт по постановлению Леноблисполкома от 11 мая 1939 года. Имущество собора было конфисковано. Иконостас, разобранный на дрова, был приобретён и сохранён жительницей Гатчины прихожанкой собора Варварой Филипповной Прозоровой. В 1939-1940 годах в здании начали сооружать межэтажное перекрытие, при этом колонны в интерьере были вырублены от пола на половину высоты.
В 1946—1949 годах произведено полное восстановление собора. В результате реставрационных работ интерьеру собора почти полностью возвращен первоначальный облик. Иконостас, сохранённый В. Прозоровой, был возвращён на прежнее место. 30 октября 1949 года центральный придел собора был торжественно освящён митрополитом Ленинградским и Новгородским Григорием (Чуковым).
Позднее были восстановлены правый и левые приделы, которые были освящены в 1952 и 1956 годах.
12 июля 1977 года собор отметил своё 125-летие. К этой годовщине был произведен внешний и внутренний ремонт здания.
В 1979 году в соборе повешены новые паникадила: большое, трехъярусное в главном нефе и два малых, двухъярусных — в боковых.