Первый, походный, храм лейб-гвардии Измайловского полка был освящён 12 (23) июля 1733 года, вскоре после прибытия полка в Санкт-Петербург. Во времена Петра I на этом месте стояла деревянная часовня.
1 (12) июля 1754 года епископом Сильвестром (Кулябкой) был заложен новый деревянный пятиглавый храм с приделом мученика Иоанна Воина, освящённый 1 (12) июня 1756 года.
После наводнения архитектору В. П. Стасову было предложено разработать проект нового каменного храма. При этом образцом должна была оставаться старая деревянная церковь.
Закладку нового храма совершил 13 (25) мая 1828 года митрополит Серафим (Глаголевский). Через четыре года здание было вчерне готово и началась внутренняя отделка. В процессе строительства приходилось восстанавливать сорванный 23 февраля (7 марта) 1834 года бурей купол и переписывать некоторые образа.
С июля 1922 года по 1924 год причт собора примыкал к обновленцам.
Собор был закрыт 22 апреля 1938 года. Предполагался его снос или перестройка в городской крематорий. Здание храма пострадало в Великую Отечественную войну. В 1952-1953 и 1966-1967 годах была осуществлена реставрация внешнего вида. В самом здании находился склад.
Возвращён Русской православной церкви в 1990 году. В 2004 году реставрация была возобновлена.