После разрушительного пожара 1810 года, в котором сгорела церковь Пророка Илии в Ижевском заводе, было принято решение о строительстве нового храма. Уже через год архитектор Семён Емельянович Дудин, первый профессиональный зодчий Ижевска, предложил проект большого трёхпрестольного собора. Однако его проект с тремя престолами и колокольнями был отклонён из-за чрезмерной пышности и высокой стоимости. Вместо этого петербургские власти рекомендовали использовать проект Андреевского собора в Кронштадте, созданный архитектором Андреяном Захаровым, в качестве образца. Дудин адаптировал его к местным условиям и ограниченным финансовым возможностям, упростив структуру и заменив литые элементы гранитными. Строительство финансировалось Артиллерийским департаментом военного ведомства, так как собор предназначался для оружейного завода. Император Александр I также внес свой вклад в строительство Александро-Невского собора, которое длилось с 1816 по 1823 год. Главный придел был освящён в честь святого князя Александра Невского, южный, в честь святой Екатерины, северный, в честь Казанской иконы Божией Матери, а нижний храм, в честь святых Власия и Модеста. В 1824 году, посетив Ижевский завод, император Александр I осмотрел этот крупнейший православный храм Вятской губернии.

Собор, выполненный в традициях русского классического зодчества, и сегодня выделяется на фоне советской застройки центра Ижевска. До начала XX века храм гармонично вписывался в градостроительный ансамбль, включавший главный корпус оружейного завода, триумфальную Михайловскую колонну и собор Александра Невского, символизируя три столпа российской государственности: "За веру, Царя и Отечество". Здание отличается симметричной композицией и чёткостью форм. Квадратное в плане здание перекрыто сферическим сводом на барабане. Первоначально храм был декорирован в строгом классическом стиле, но в 1870 году его интерьеры стали более пышными благодаря золочению лепного декора и архитектурных деталей. Четыре массивных пилона поддерживают свод, а две подпружные арки раскрыты на алтарь и главный неф. Главный неф отделён от боковых двумя колоннадами ионического ордера. Перекрытие над ним выполнено в виде коробового свода. Крестообразность плана обеспечена введением портиков с юга и севера, а также третьего под колокольней с западной стороны трапезной.

Александро-Невский собор долгое время оставался главным приходским храмом Ижевска, к нему относились несколько часовен и церквей, включая Михайловский собор, завершённый в 1907 году. При храме действовало попечительство, ведавшее школами, больницами и богадельнями. В 1875 году здесь открылась воскресная школа на 135 учеников.

1922 год стал началом трагической страницы в истории Русской Православной Церкви. Декрет от 23 февраля 1922 года предписывал изъятие церковных ценностей, включая богослужебные сосуды, под предлогом помощи жертвам голода в Поволжье. Эта акция затронула и Александро-Невский собор. В 1929 году собор был разграблен и закрыт, колокольня разрушена, а колокола отправлены на переплавку. По требованию "Союза воинствующих безбожников" службы прекратились, и здание переоборудовали под клуб. С 1930 года оно служило детским клубом и кинотеатром, позже, музеем атеизма. В 1932 году в здании открылся первый в республике звуковой кинотеатр "Колосс". В 1937 году купол храма был разобран, и здание причислили к памятникам архитектуры первой категории.

В 1990 году храм вернулся в лоно Церкви. В 1992 году начались реставрационные работы, завершившиеся к концу 1993 года. Были построены новый крестильный храм, иордань и временная звонница. 2 января 1994 года собор был переосвящён, и на Рождество состоялось первое богослужение. Главная святыня собора, икона Почаевской Божией Матери.

Рядом с собором находится усыпальница Андрея Фёдоровича Дерябина, горного инженера, сыгравшего важную роль в строительстве собора и руководившего возведением Ижевского завода с 1808 по 1843 год.