В 1879 году жители поселка у станции обратились к игуменье монастыря Палладии с просьбой построить церковь. В январе того же года император Александр II одобрил распоряжение министра путей сообщения о выделении участка в Твери для строительства храма. Земля принадлежала Николаевской железной дороге и находилась на пересечении Станционного шоссе (ныне проспект Чайковского) и Александровской улицы (ныне улица Коминтерна), на Привокзальной площади. Император также утвердил проект церкви, разработанный епархиальным архитектором А. Фёдоровым. Однако процесс застопорился на стадии согласований, вероятно, из-за нехватки средств.

К вопросу вернулись спустя десять лет. 18 сентября 1889 года техническо-строительный комитет МВД рассмотрел новый проект церкви, созданный архитектором Ф.Н. Малиновским. Было решено построить храм в память о чудесном спасении императора Александра Александровича и его семьи от опасности при крушении поезда на станции Ворки Курско-Харьковско-Азовской железной дороги 17 октября 1888 года.

Проект, утвержденный в 1891 году, был отправлен тверскому губернатору Павлу Дмитриевичу Ахлёстышеву, после чего начался сбор средств. Внешний облик храма был выполнен в так называемом «русском стиле», основанном на традициях русской архитектуры XVII века. Хотя такой стиль не был уникальным, его достоинством была объемно-пространственная композиция. Удачным было и расположение церкви на площади, где она завершала перспективу Станционного шоссе, соединяющегося с Трехсвятской улицей, ведущей в центр города.

Церковь закрыли в 1929 году, здание использовали как хлебохранилище. В послевоенные годы его сильно перестроили: двухсветный четверик разделили на два этажа. В нижнем этаже разместили магазин, а в верхнем, жильё. В 1983 году при строительстве нового здания железнодорожного вокзала остатки церкви окончательно разобрали.

20 октября 2010 года в 11:00 в Твери на пересечении проспекта Чайковского и улицы Коминтерна состоялась закладка храма в честь святого благоверного князя Александра Невского.

6 декабря 2017 года, в день престольного праздника собора, митрополит Тверской и Кашинский Виктор освятил престол.