В начале XVII века на месте нынешней церкви находилась деревянная «церковь царя Константина». Приход был небольшим, и священнослужители получали жалованье из государственной казны благодаря ружным грамотам, поэтому в суздальской описи церковь называли «ружной».

Старая деревянная церковь была разобрана из-за ветхости, и в 1707 году на средства прихожан построили каменную. Это была последняя пятиглавая церковь, возведенная в Суздале. Храм использовался летом, а рядом находилась низкая зимняя церковь в честь иконы Скорбящей Богоматери. Вероятно, в конце XVIII века к церкви пристроили алтарную абсиду. В первой половине XIX века с западной стороны появилась круглая паперть с тремя портиками в стиле ампир, которая гармонично вписалась в архитектуру храма, несмотря на различие стилей.

В 1923 году храм закрыли, и в нем устроили склад льна, а позже гараж. В 1976 году, перед передачей церкви, в здании находился общественный туалет. Затем храм передали Русской православной церкви вместо закрытого Казанского храма на центральной площади города. Настоятелем стал Валентин Русанцов, под руководством которого храм был полностью восстановлен за полгода.

В 1988 году из суздальского музея в храм были переданы мощи святой Евфросинии Суздальской и Евфимия Суздальского. 7 апреля 1990 года архимандрит Валентин Русанцов и члены общины объявили о выходе из Московского Патриархата, а 11 апреля их приняли в юрисдикцию Русской православной церкви заграницей. 4 октября архимандрит Валентин стал экзархом Архиерейского Синода РПЦЗ на территории СССР.

В июне 1995 года, после окончательного отделения Валентина Русанцова от РПЦЗ, Цареконстантиновский храм стал кафедральным собором созданной им непризнанной «Российской православной свободной церкви», позже переименованной в «Российскую православную автономную церковь» (РПАЦ).

5 февраля 2009 года Арбитражный суд Владимирской области постановил изъять храм у РПАЦ вместе с девятью другими. 19 августа 2009 года в соборе прошла последняя литургия, а 20 августа храм передали федеральным властям.

31 декабря 2009 года Цареконстантиновская церковь была передана в бессрочное безвозмездное пользование Владимирской епархии Русской православной церкви, и в храме начались восстановительные работы. 7 января 2011 года состоялась первая за много лет литургия под юрисдикцией Русской православной церкви.

Храм представляет собой высокий бесстолпный четверик, перекрытый кровлей на четыре ската. С восточной стороны к зданию примыкает алтарная апсида, а с западной, притвор в стиле классицизма. На белых стенах, словно вышитая кайма, выделяются широкий карниз из мелких и глубоких подковообразных кокошников, пояса зубчатых городков и балясинок-кубышек, аналогичных карнизам колокольни Воскресенской церкви, а также изящные фигурные завершения окон. Над кровлей возвышаются пять тонких колонок с рельефом, поддерживающих замысловатые главки. Нарядность верха и игра на контрастах простого и сложного напоминают ныне не существующий Троицкий собор Ризположенского монастыря.