Церковь, посвященная иконе Божией Матери «Смоленская», с теплым приделом в честь святой великомученицы Екатерины, была возведена на средства муромского купца М. И. Елина на месте сгоревшего в 1804 году деревянного храма.

В 1832 году к церкви добавили колокольню, а в 1838 году пристроили теплую трапезную с приделом в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих радости», объединившую колокольню и церковь в единый комплекс. Архитектура церкви и колокольни отражает влияние эпохи императора Александра I.

В 1840 году прихожане, среди которых были муромские купцы Титовы, Елин и Киселев, пожертвовали колокол весом 200 пудов. Особой святыней церкви считался напрестольный крест 1676 года с частицами святых мощей.

После обрушения шатра соседней церкви Космы и Дамиана в 1868 году уцелевшие иконы и церковную утварь перенесли в Смоленский храм, который стал известен как «Ново-Космодемьянская» церковь.

23 мая 1922 года из храма изъяли серебряную утварь весом 1 пуд, 19 фунтов и 80 золотников под предлогом помощи голодающим Поволжья. 12 ноября 1929 года обсуждалось закрытие храма, и 20 января 1930 года ВЦИК утвердил решение о закрытии восьми церквей в Муроме, включая Смоленскую.

С 1977 года в церкви начались реставрационные работы, после которых она стала выставочным залом местного краеведческого музея. Здесь проводились выставки изобразительного и прикладного искусства, а также концерты академических хоров благодаря отличной акустике.

21 июля 1995 года молния ударила в шпиль колокольни, вызвав пожар и обрушение. В августе 1995 года церковь вернули Владимирской епархии, и 10 августа состоялось первое богослужение. 14 апреля 1996 года прошла первая пасхальная служба, которую провел игумен Кронид Козлов.

В августе 2000 года восстановили шпиль колокольни, пострадавший от удара молнии. Указом архиепископа Евлогия Смирнова церкви был присвоен статус городского собора.

Основной объем церкви представляет собой четверик с сомкнутым сводом, увенчанный двумя восьмериками, уменьшающимися в диаметре, с луковичной главкой. С востока примыкает пятигранная абсида, а с севера и юга, портики ионического ордера с арками, создающими впечатление легкости.

Трапезная и колокольня, построенные в 1830-е годы, выполнены в других масштабах и несколько несоразмерны с основным объемом церкви. Архитектурные детали характерны для первой половины XVIII века: арочные окна трапезной, пилястры входного портика и полуколонны третьего яруса колокольни. В третьем ярусе сгруппированы по три полуколонны композитного ордера, что является местной традицией зодчих-«муролей».