В конце XVIII века возникла необходимость в строительстве нового православного храма, но проект так и не был реализован. Вопрос вновь подняли в 1836 году, когда в рижской церкви Петра и Павла открылась викарная кафедра Псковской епархии, и в 1850 году, когда была образована самостоятельная Рижская епархия, а церковь стала кафедральной.

В начале 1870-х годов генерал-губернатор Прибалтийского края князь Багратион, по совету представителей русского населения региона, направил ходатайство министру иностранных дел Российской империи А. М. Горчакову о необходимости строительства храма. Горчаков поддержал эту идею, и архиепископ Вениамин (Карелин) обратился к православным с просьбой о пожертвованиях. В 1873 году сильная буря повредила церковь Петра и Павла, что ускорило решение о строительстве нового храма. В 1874 году император Александр II выделил 900 000 рублей на строительство нового кафедрального собора в Лифляндской губернии.

Три проекта собора были отправлены на рассмотрение в Москву. Среди них был проект архитектора Яниса-Фридриха Бауманиса, академика Генриха Шеля и выпускника Петербургской Академии художеств Роберта Пфлуга. В 1875 году выбрали проект Пфлуга, предложившего строительство в неовизантийском стиле, что имело политическое значение в контексте «войны памятников» между русской и остзейской общинами.

Строительство храма началось на эспланаде, где застройка была запрещена. В 1902 году на противоположной стороне эспланады началось строительство Рижской коммерческой школы архитектором Вильгельмом Бокслафом. Конкурс подрядчиков выиграл академик Н. М. Чагин, а орнаментальный декор и каменные детали изготовила мастерская Августа Фольца. Закладной камень собора освятили 3 июля 1877 года. Император Александр II подарил храму 12 колоколов, отлитых мастером Ксенофонтом Верёвкиным. Для колоколов построили колокольню над входом в собор.

В оформлении интерьеров участвовали известные мастера: П. Шамшин, К. Б. Вениг и В. В. Верещагин, который создал иконы для главного иконостаса. Профессор Васильев написал иконы для второго и третьего ярусов иконостаса. 24 апреля 1884 года храм передали духовному ведомству, а 28 октября освятили митрополитом Платоном (Городецким). В день освящения прошёл крестный ход, иконы из церкви Петра и Павла перенесли в новый храм. Богослужения велись на четырёх языках: церковнославянском, латышском, эстонском и немецком. На строительство собора потратили более полумиллиона рублей, включая 140 тысяч на интерьеры.

Храм славился собранием икон, многие из которых были подарены прихожанами. В 1894 году здесь служил Иоанн Кронштадтский.

Собор был построен по инициативе князя Петра Багратиона в 1877-1884 годах. Средства на строительство выделил Александр II, а оставшуюся сумму собрали через пожертвования. Проект собора в неовизантийском стиле разработал Роберт Пфлуг, а строительство вел архитектор Николай Чагин. Иконы создали художники Петр Шамшин, Василий Верещагин и Василий Васильев. В 1917 году храм передали Лютеранской церкви, он был разграблен и опустошён. В 1922 году после реставрации службы возобновились и продолжались до 1963 года, когда храм закрыли. Внутреннее убранство уничтожили, и в здании разместили планетарий и кафе. В 1991 году храм вернули верующим.