Собор был возведен за три года и к октябрю 1858 года уже имел белое железное покрытие и позолоченный купол. Внутренние стены были оштукатурены, окна оснащены двойными рамами с бемскими стеклами, а в подвале установлены три печи для обогрева. На шестом году строительства мастера под руководством московского иконописца Семёна Борисова расписали купол. У храма появились три каменных крыльца, завершилась стенопись, был уложен дубовый пол и установлен сосновый иконостас работы московского мастера Никанора Софронова с иконами Борисова. Внутри собора добавили две малые печи для улучшения теплоты и осушения. За вклад в строительство церковный староста В. Кузовлев получил орден Св. Анны III степени. Средства на строительство жертвовали епископы, дворяне, купцы и оружейники, среди которых выделялись купец Семён Красноглазов и оружейник Максим Лялин. Городской голова Николай Добрынин пожертвовал много утвари. Храм был освящён в 1862 году. С момента постройки собор имел духовое отопление, но вентиляция была слабой, что вызывало сквозняки и копоть. В 1890-х годах решили установить водяное отопление и улучшить вентиляцию, что потребовало 25 тысяч рублей. Церковный староста И. К. Платонов добавил недостающие средства из личных сбережений. Работы начались в августе 1892 года, и при этом была найдена закладная доска храма. В 1930 году собор закрыли, планировалось переоборудовать его под Дворец физкультурников, но проект не реализовали. В здании разместился аэроклуб, а позже клуб физкультурников. Четыре малых главы и центральное завершение были утрачены. В 1960-х годах здание решили использовать под музей оружия, и с 1972 по 1989 год проводилась реконструкция. Вход в музей сделали с востока, пробив алтарную стену. В 1991 году здание получило статус памятника истории и культуры. В 2012 году экспозиция была перевезена в новый музей оружия, а в 2015 году началась реставрация здания, но восстановление прежнего облика не планируется, так как музей продолжает занимать помещения.