Собор располагался на месте нынешнего стадиона "Динамо" и парка Липки, на пересечении улиц Радищева, Волжской и проспекта Кирова.

Фонд для сбора средств на строительство нового собора в Саратове был учреждён в 1785 году императрицей Екатериной II, которая внесла в него 15 тысяч рублей. Однако окончательное решение о возведении храма было принято лишь 26 августа (7 сентября) 1814 года после победы в войне с Францией. 30 августа (11 сентября) 1815 года преосвященный Афанасий, Епископ Пензенский и Саратовский, провёл церемонию закладки собора. Храм строился в память Отечественной войны 1812 года стараниями губернатора А. Д. Панчулидзева на добровольные пожертвования жителей города.

Архитектором указом императора Александра I был назначен В. П. Стасов. Каменное здание было спроектировано в стиле русского классицизма, с колоннами по всем сторонам и низким каменным куполом. Последнее вызвало споры, которые оказались оправданными. Ранним утром 24 апреля (6 мая) 1824 года, когда работы почти завершились, четыре внутренние колонны не выдержали тяжесть купола, и он обрушился. К счастью, никто не пострадал.

Губернского архитектора Суранова на посту руководителя строительства сменил его помощник Т. В. Петров, под чьим руководством за два года был возведён новый купол, на этот раз деревянный. Здание имело два этажа, первый из которых был углублён в землю. Главный престол находился на верхнем ярусе и был освящён в честь святого князя Александра Невского. Два придела были освящены во имя Архистратига Божия Гавриила и святых Захарии и Елизаветы. В нижнем храме было три престола: центральный в честь Воскресения Христова и по бокам во имя святителя Митрофана Воронежского и великомучениц Варвары и Екатерины.

28 марта (9 апреля) 1826 года архимандрит Спасо-Преображенского монастыря Арсений торжественно освятил храм. В 1840 году на средства жены коллежского советника М. Ф. Дмитриевской была заложена трёхъярусная колокольня, строительство которой длилось пять лет под руководством архитектора, завершавшего строительство собора. На собор было потрачено более 300 тысяч рублей, а колокольня обошлась в 75 тысяч. В соборе были погребены саратовские святители Евфимий (Беликов) и Авраамий (Летинский), хранились знамёна Саратовских ополчений 1812 и 1855 годов.

С конца XIX века активно обсуждался вопрос ремонта и расширения собора, но планы эти не осуществились, и к началу XX века здание стало ветхим. Указом 9 (22) декабря 1911 года Священный Синод отклонил все проекты реконструкции собора и постановил провести только капитальный ремонт, включавший небольшое увеличение внутренней площади за счёт удаления двух больших печей и уменьшения солеи. Работы начались в апреле 1913 года и обошлись в 130244 рублей. Цоколь здания был отделан цементом, стены перекрашены в светло-серый цвет, плитки на площади перед собором заменены, купола, главы, шары и кресты отремонтированы и вызолочены. Внутри установили электрическое освещение, вентиляцию и новое паровое отопление, отреставрировали иконостасы, а "Общество русских художников в Петрограде" выполнило новую роспись в алтарях и на стенах.

4, 10 (17, 23) декабря 1914 года прошли торжества по случаю завершения ремонтных работ, на которые прибыл Министр внутренних дел Российской империи Н. А. Маклаков. 5 (18) декабря епископ Саратовский и Царицынский Палладий после всенощного бдения заново освятил главный престол, а на следующий день переосвятил левый придел во имя Николая Чудотворца и святых, прославленных в царствование Николая II: Феодосия Черниговского, Иоасафа Белгородского, Патриарха Московского Гермогена, Питирима Тамбовского, преподобных Серафима Саровского и Анны Кашинской. В верхнем храме также был правый придел во имя Архангела Гавриила, священномученика Симеона и преподобной Ксении. В нижнем храме было три престола: Апостола Павла и Митрофана Воронежского, Воскресения Христова, великомучениц Екатерины и Варвары. В штат причта входили протоиерей, ключарь-священник, два священника, протодиакон, два диакона, два иподиакона и два псаломщика.

В первые годы после революции богослужения в соборе продолжались регулярно. 9 февраля 1924 года здание было передано Саргубисполкомом обновленцам. Непопулярность обновленчества отпугнула прихожан, и в 1926 году началось активное изъятие ценностей из пустующего храма. 18 декабря 1929 года на заседании президиума исполнительного комитета советов Нижне-Волжского края обсуждался вопрос о ликвидации собора из-за его запущенности. Планировалось использовать помещения для размещения тракторов и комбайнов кафедры машиноведения сельскохозяйственного института.

С 21 июня 1930 года по 1 декабря 1931 года здание занимал клуб кооперативных кустарей Сарпромкредсоюза. До конца 1931 года в подвале размещался театральный техникум. Последним владельцем помещений было спортивное общество "Динамо". С 22 марта 1932 года здание начали планомерно демонтировать. В годы Великой Отечественной войны на руинах собора установили два зенитных орудия. На пустыре, образовавшемся после окончательного сноса храма, в 1945 году был открыт стадион "Динамо".

Части фундамента и, вероятно, гробницы архиереев до сих пор находятся под главным спортивным объектом центра Саратова. С начала 2000-х годов осторожно высказываются мнения о необходимости восстановления утраченной святыни на её историческом месте.