La présence russe en France a commencé au XVIIIe siècle. Au XIXe siècle, environ mille Russes vivaient de manière permanente ou temporaire à Paris, et ils n'avaient d'autre lieu de prière que l'ambassade russe.

En 1847, un prêtre de l'ambassade russe, Joseph Vassiliev, a commencé à concevoir un temple permanent. L'achèvement du projet a été retardé en raison de l'inertie du gouvernement russe et de la lenteur de l'administration française, mais finalement Napoléon III a donné son accord. La construction a été financée principalement par des dons de Russes venant de Russie et d'autres pays. Personnellement, le tsar Alexandre II a contribué environ 150 000 francs en or. Le projet a suscité un grand intérêt en France, et aux dons des orthodoxes se sont joints les contributions des catholiques et des protestants.

Le nouveau temple a été consacré le 11 septembre 1861 par le vicaire de l'évêché de Saint-Pétersbourg, l'évêque de Reval Léontius (Lebedinsky) et dédié au saint prince Alexandre Nevski.

En 1922, le temple a reçu le statut de cathédrale lorsque l'archevêque Eulogius (Georgievsky) en a fait le centre administratif de son évêché pour les émigrés russes.