El 25 de abril de 1825, la dirección de la fábrica de artillería de Alexandrovsk recibió permiso del Departamento de Minas y Sal para construir una iglesia de fábrica, y el metropolitano de Novgorod, Serafim, bendijo esta iniciativa. Se creó una comisión para organizar la construcción, presidida por el administrador de las fábricas mineras de Olonets, Adam Armstrong. En el concurso para el mejor proyecto de la iglesia, ganó el arquitecto del Departamento de Minas y Sal, Alexander Ivanovich Postnikov. La colocación solemne de la primera piedra del templo tuvo lugar en julio de 1826. Los fondos para la construcción fueron asignados por el tesoro y llegaron en forma de donaciones de los trabajadores de la fábrica.

La construcción de la catedral se llevó a cabo bajo la dirección del ingeniero Pietro Carlo Maderni entre 1826 y 1832. El iconostasio fue creado bajo la dirección del maestro A. Bobrov de Kexholm, y las íconos fueron pintadas por el artista A.S. Chizhov. En el campanario, ubicado en una torre cuadrada en el lado sur, se colocaron ocho campanas de diferentes pesos. El 27 de enero de 1832, en el día de la memoria del santo Juan Crisóstomo, el obispo de Olonets y Petrozavodsk, Ignatius, consagró el altar principal del templo en honor del santo príncipe Alejandro Nevski. Las capillas laterales estaban dedicadas a la Santísima y Vivificante Trinidad y al santo milagroso Nicolás de Mira. En enero de 1888, se abrió una escuela parroquial en la iglesia con fondos del sacerdote o. Vasily Nimensky y con el apoyo del consejo diocesano de Olonets para los hijos de los trabajadores de la fábrica.

En 1929, la catedral fue cerrada por decisión de la asamblea general de los trabajadores de la fábrica Onega y del Consejo Municipal de Petrozavodsk. El edificio fue entregado al museo local de historia, y se demolieron las cinco cúpulas, mientras que se construyó un entrepiso y un sótano para almacenar exposiciones. La primera exposición del museo en la antigua iglesia se inauguró en 1931. En 1991, el templo fue devuelto a la diócesis de Petrozavodsk. En otoño de 1993, comenzó la restauración de la catedral de Alejandro Nevski según el proyecto del arquitecto V.G. Kopnin. La apariencia exterior de la catedral fue restaurada de acuerdo con la original, excepto que las cúpulas no estaban doradas anteriormente. El nuevo diseño interior, incluyendo el iconostasio y otros elementos, no corresponde al estilo del edificio. El 9 de mayo de 1995, el obispo de Petrozavodsk y Karelia, Manuel, celebró la primera misa solemne. En julio de 1996, se instalaron cruces doradas en las cúpulas. El 29 de junio de 1999, se consagraron y colocaron en la campana ocho campanas, fabricadas en Voronezh según una antigua tecnología, con un peso de 7 kg a 1.5 toneladas. La catedral reconstruida fue adornada con un iconostasio dorado, fabricado en la empresa de la Iglesia Ortodoxa Rusa 'Sofrino'.

El 3 de junio de 2000, el Santo Patriarca de Moscú y de toda Rusia, Alexis II, consagró el templo, que se convirtió en la catedral de la diócesis de Petrozavodsk y Karelia.