25 апреля 1825 года руководство Александровского пушечно-литейного завода получило разрешение от Департамента горных и соляных дел на строительство заводской церкви, и митрополит Новгородский Серафим благословил это начинание. Для организации строительства была создана комиссия под председательством управляющего олонецкими горными заводами Адама Армстронга. В конкурсе на лучший проект церкви победил архитектор Департамента горных и соляных дел Александр Иванович Постников. Торжественная закладка храма состоялась в июле 1826 года. Средства на строительство были выделены казной и поступили в виде пожертвований от работников завода.

Строительство собора велось под руководством инженера Пьетро Карло Мадерни в период с 1826 по 1832 годы. Иконостас был создан под руководством мастера А. Боброва из Кексгольма, а иконы написал художник А.С. Чижов. На колокольне, расположенной в четырёхугольной башне с южной стороны, разместили восемь колоколов разного веса. 27 января 1832 года, в день памяти святителя Иоанна Златоуста, епископ Олонецкий и Петрозаводский Игнатий освятил главный престол храма в честь святого благоверного великого князя Александра Невского. Боковые приделы были посвящены Пресвятой и Живоначальной Троице и святому чудотворцу Николаю Мирликийскому. В январе 1888 года при храме была открыта церковно-приходская школа на средства священника о. Василия Нименского и при поддержке Олонецкого епархиального совета для детей заводских работников.

В 1929 году собор был закрыт по решению общего собрания рабочих Онежского завода и Петрозаводского городского Совета. Здание передали городскому краеведческому музею, при этом были снесены все пять куполов, а внутри устроено межэтажное перекрытие и подвал для хранения экспонатов. Первая музейная экспозиция в бывшей церкви открылась в 1931 году. В 1991 году храм был возвращён Петрозаводской епархии. Осенью 1993 года началась реставрация собора Александра Невского по проекту архитектора В.Г. Копнина. Внешний вид собора был восстановлен в соответствии с первоначальным, за исключением того, что купола ранее не золотились. Новое оформление интерьера, включая иконостас и другие элементы, не соответствует стилистике здания. 9 мая 1995 года епископ Петрозаводский и Карельский Мануил провёл первый торжественный молебен. В июле 1996 года на купола установили золочёные кресты. 29 июня 1999 года были освящены и установлены на звонницу восемь колоколов, изготовленных в Воронеже по старинной технологии, весом от 7 кг до 1,5 тонны. Реконструированный собор украсил позолоченный иконостас, изготовленный на предприятии РПЦ "Софрино".

3 июня 2000 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II освятил храм, который стал кафедральным собором Петрозаводской и Карельской епархии.