Верхнеудинский кафедральный Одигитриевский собор начали строить в 1741 году, а завершили в 1785 году. Он назван в честь Святой Девы Марии Одигитрии, известной как «Путеводительница».

Фундамент собора не отличается прочностью. Условия для строительства были неблагоприятными: мелкозернистые пески, насыщенные грунтовыми водами, и сейсмическая опасность. Уже в 1818 году неравномерные осадки вызвали трещины в стенах и сводах. Землетрясения 1862 и 1885 годов добавили новые трещины и повредили железные стяжки. С учетом сейсмической активности региона, устойчивость собора вызывает сомнения и сегодня.

Собор является уникальным памятником культовой архитектуры Сибири XVIII века. Его гармоничная композиция, изысканный силуэт и выразительные фасады делают его выдающимся сооружением. Он был ключевым элементом градостроительной композиции Верхнеудинска, определяя сетку улиц в XVIII и XIX веках. Собор завершал главную улицу, ныне улицу Ленина, и до сих пор остается архитектурной доминантой исторической части Улан-Удэ.

Храм был построен на месте деревянной Богородской церкви, которая стояла южнее. Ее местоположение отмечено каменным столбом с чугунным крестом. Строительство собора началось в 1741 году и затянулось более чем на 40 лет. Освящение храма на втором этаже состоялось в 1785 году, а «теплая» церковь на нижнем этаже была освящена в 1770 году. Это первое каменное сооружение в Верхнеудинске, построенное в связи с ростом населения и развитием торговли. В середине XVIII века начался подъем каменного зодчества в Сибири, особенно церковного.

Собор был закрыт в 1929 году. После этого в нем размещались курсы стройкадров, антирелигиозный музей, а затем Краеведческий музей. Здание было взято под охрану государства, и в 1959 и 1961 годах проводились реставрационные работы. До 1999 года здесь находились фонды Музея истории Бурятии.

31 марта 1992 года при соборе зарегистрировали православный приход и начали благоустройство территории. 1 августа 1995 года вышел указ о передаче собора Русской Православной Церкви. 23 мая 1996 года на колокольне установили 6 колоколов.

С 1997 года в день празднования Смоленской иконы Божией Матери проводится крестный ход от Свято-Троицкого храма к собору. 30 октября 1999 года замироточила икона Божией Матери «Одигитрия». 20 декабря 1999 года приходу передали нижний придел во имя Богоявления Господня, где 26 марта 2000 года впервые за 70 лет прошла Божественная литургия. В сентябре 2004 года освятили верхний придел собора.

Композиция собора представляет собой двухэтажный вариант, где на продольную ось нанизаны лестница, колокольня, трапезная, храм и апсида. Их объемы создают единый организм размером 47,70×13,20 м. Высотные части собора контрастируют между собой, создавая динамическое напряжение. Композиция собора восходит к культовому зодчеству Северо-Восточной Руси конца XVII века и объединяет церковь и колокольню. Так строились все каменные церкви Забайкалья до середины XIX века.

Внутренняя структура здания проявляется во внешнем облике. Нижний этаж предназначался для зимней церкви, верхний, для летней. Вход в верхний храм осуществлялся через второй этаж колокольни, а в нижний, через первый этаж с северной и южной сторон. Такое построение препятствовало проникновению холодного воздуха, что было распространено в Сибири.

Основу композиции составляет взаимодействие высотных объемов колокольни и церкви, соединенных трапезной. Хотя колокольня выше, их объемы уравновешиваются по массе и силуэту. Шпиль колокольни устремляется ввысь, а ярусное завершение церкви более спокойное и изящное. Трапезная объединяет и сдерживает динамику высотных объемов.

Шлемовидный купол переходит в основание для барочной луковицы и заканчивается узким шпилем с крестом. После перестройки шпиль стал стройнее, с небольшим расширением внизу. Различия в венчающих частях церкви и колокольни были усилены.

Оформление окон связано с резьбой по дереву, мотивы которой перенесены на кирпичные фасады. В архитектуре собора проявляются элементы художественного направления Северо-Восточной Руси конца XVII века, связанные с влиянием церковной культуры Украины и Белоруссии. К традициям XVII века добавляются новые элементы: волюты и упрощенные ордерные элементы. Барочные формы особенно заметны в завершении колокольни после перестройки в 1870-х годах, повторяющей формы барокко петровского времени.