Die Katharinenkathedrale, gegründet am 30. August 1781, ist das älteste Bauwerk auf dem Gelände der ehemaligen Chersoner Festung. Sie wurde von I. Gannibal errichtet, und der Bau wurde unter der Leitung des Moskauer Architekten I.M. Sitnikow von 1781 bis 1786 durchgeführt. Die Kathedrale wurde aus blassgelbem Ingulezkalkstein im Stil des russischen Klassizismus erbaut, mit einem vier Säulen umfassenden Portikus an der Westfassade und einer niedrigen Kuppel. In den äußeren Nischen wurden sechs Skulpturen von Heiligen platziert. Der Ikonostase, der im westeuropäischen Stil von Petersburger Meistern gefertigt wurde, ist nicht erhalten geblieben, aber einige Ikonen befinden sich im Chersoner Kunstmuseum benannt nach Schowkunenko. Die Kathedrale wurde am 17. Mai 1786 geweiht.

Ein Jahr später besuchte die Kaiserin Katharina II. die Kathedrale, zu Ehren derer ein Gottesdienst abgehalten wurde. Für sie wurde ein Stuhl am „königlichen Platz“ vorbereitet. Auf ihren Befehl hin erschien auf dem Giebel der Hauptfassade die Inschrift: „Dem Retter der Menschheit widmet Katharina II.“, was der Kathedrale einen zweiten Namen, den Spasski, gab.

Am 23. November 1791 wurden auf Befehl von Katharina II. die Überreste des Fürsten G.A. Potemkin-Taurischen, des Gründers von Cherson und der Schwarzmeerflotte, in der Krypta der Kathedrale beigesetzt. Rund um die Kathedrale ruhen seine Zeitgenossen, die auf seinen Befehl hin beigesetzt wurden. Während des Russisch-Türkischen Krieges von 1787-1791 wurde auf dem Gelände der Kathedrale ein Denkmal mit den Gräbern gefallener Helden errichtet.

Bis 1800 wurde westlich der Kathedrale nach dem Entwurf von I.E. Starow ein steinerner Glockenturm erbaut, der zwei Jahre später durch ein Erdbeben beschädigt wurde. 1806 wurde daneben ein temporärer hölzerner Glockenturm mit einer großen Glocke errichtet, die von Katharina II. geschenkt wurde. Dieser wurde bis zur Fertigstellung des neuen steinernen Glockenturms genutzt, der bis heute erhalten geblieben ist.

Im Mai 1922 wurden aus der Kathedrale Werte im Gewicht von über 40 kg entnommen, und im Dezember 1929 wurden die Glocken abgenommen und der Ikonostase abgebaut, ein Teil der Ikonen wurde an das Chersoner Heimatmuseum übergeben. Im Mai 1930 wurde in der Kathedrale ein antireligiöses Museum eröffnet, das bald geschlossen wurde, und das Gebäude wurde als Getreidespeicher genutzt. Im August 1941 wurde die Kathedrale erneut geweiht und für Gläubige geöffnet. Aus den erhaltenen Teilen des früheren Ikonostases wurde ein neuer zusammengestellt, und einige alte Ikonen wurden zurückgegeben.

Von 1945 bis 1947 wurde die Chersoner Diözese aus der Uspenski-Kathedrale in die Katharinenkathedrale verlegt. Nach dem Krieg war der Tempel bis 1962 aktiv, dann wurde er geschlossen und das Kirchengerät wurde an die Heilig-Geist-Kathedrale übergeben. Das Gebäude wurde zur Lagerung von Holz genutzt und später als Lager des Buchhandels. Eine Zeit lang stand es leer, aber im August 1968 erhielt die Kathedrale den Status eines Denkmals von republikanischer Bedeutung und wurde als Ausflugsziel genutzt. In der ersten Hälfte des Jahres 1969 wurden die Skulpturen der Apostel Petrus und Paulus an der Fassade der Kathedrale restauriert. 1970 wurde im Gebäude der Kathedrale das Haus der Propaganda der Chersoner Regionalorganisation der Gesellschaft zum Schutz von historischen und kulturellen Denkmälern eröffnet, wo Ausstellungen, Filmvorträge und musikalische Abende stattfanden.

Anfang der 1980er Jahre wurden nach alten Plänen die beiden oberen zerstörten Etagen des Glockenturms wiederhergestellt und ein vergoldetes Kreuz installiert. Doch 1989 wurde das Gebäude der Kathedrale wegen seines maroden Zustands geschlossen.

Am 25. August 1991 wurde der Tempel der Kirche zurückgegeben, Restaurierungsarbeiten begannen und die Gottesdienste wurden wieder aufgenommen. 2007 wurde in der Kathedrale ein neuer Ikonostase installiert.