Собор был построен на средства прихожан-греков в 1805 г. Впоследствии дважды перестраивался и расширялся. Во время Крымской войны собор, как и город, был захвачен англо-франко-турецкими войсками.
Благодаря проявлению веротерпимости со стороны командующего турецким корпусом удалось спасти и вывезти в Одессу все церковное имущество и иконостас. В захваченном соборе проводилось католическое богослужение. Снесен за ветхостью во второй половине XIX в. Современный собор построен в 1898 г. по проекту архитектора Бенардаци.
Иконостас выполнен флорентийским резчиком Ванукки. Сегодня собор открыт для посещения, является одним из наиболее красивых христианских храмов Крыма.