Le 25 avril 1825, la direction de l'usine de canons d'Alexandre a obtenu l'autorisation du Département des mines et des salines pour construire une église d'usine, et le métropolite de Novgorod, Séraphim, a béni cette initiative. Une commission a été créée pour organiser la construction, présidée par Adam Armstrong, directeur des usines minières d'Olonets. L'architecte du Département des mines et des salines, Alexandre Ivanovitch Postnikov, a remporté le concours pour le meilleur projet d'église. La pose solennelle de la première pierre a eu lieu en juillet 1826. Les fonds pour la construction ont été alloués par le trésor public et ont été reçus sous forme de dons des travailleurs de l'usine.

La construction de la cathédrale a été dirigée par l'ingénieur Pietro Carlo Maderni entre 1826 et 1832. Le retable a été créé sous la direction du maître A. Bobrov de Kexholm, et les icônes ont été peintes par l'artiste A.S. Chijov. Dans le clocher, situé dans une tour carrée du côté sud, huit cloches de poids différents ont été installées. Le 27 janvier 1832, le jour de la mémoire de saint Jean Chrysostome, l'évêque d'Olonets et de Petrozavodsk, Ignace, a consacré le maître-autel de l'église en l'honneur du saint prince Alexandre Nevski. Les chapelles latérales étaient dédiées à la Très Sainte Trinité et à saint Nicolas le Thaumaturge. En janvier 1888, une école paroissiale a été ouverte à l'église grâce aux fonds du prêtre O. Vassili Nimenski et avec le soutien du conseil diocésain d'Olonets pour les enfants des travailleurs de l'usine.

En 1929, la cathédrale a été fermée par décision de l'assemblée générale des travailleurs de l'usine d'Onega et du Conseil municipal de Petrozavodsk. Le bâtiment a été transféré au musée local, et tous les cinq dômes ont été démolis, tandis qu'un plancher intermédiaire et un sous-sol pour le stockage des expositions ont été aménagés à l'intérieur. La première exposition muséale dans l'ancienne église a ouvert en 1931. En 1991, l'église a été restituée à l'évêché de Petrozavodsk. À l'automne 1993, la restauration de la cathédrale Alexandre Nevski a commencé selon le projet de l'architecte V.G. Kopnin. L'apparence de la cathédrale a été restaurée conformément à l'original, sauf que les dômes n'étaient pas dorés auparavant. La nouvelle décoration intérieure, y compris le retable et d'autres éléments, ne correspond pas au style du bâtiment. Le 9 mai 1995, l'évêque de Petrozavodsk et de Carélie, Manuel, a célébré le premier service solennel. En juillet 1996, des croix dorées ont été installées sur les dômes. Le 29 juin 1999, huit cloches, fabriquées à Voronej selon une ancienne technologie, pesant de 7 kg à 1,5 tonne, ont été consacrées et installées dans le clocher. La cathédrale rénovée a été ornée d'un retable doré, fabriqué par l'entreprise de l'Église orthodoxe russe "Sofrino".

Le 3 juin 2000, Sa Sainteté le Patriarche de Moscou et de toute la Russie, Alexis II, a consacré l'église, qui est devenue la cathédrale de l'évêché de Petrozavodsk et de Carélie.