Идея создания храма в поселке мостостроителей появилась на второй год строительства железнодорожного моста через Обь. Решение о его возведении было принято 10 октября 1895 года на собрании жителей поселка. Они решили обратиться к томскому епископу Макарию с просьбой закрыть «кабаки и притоны» и вместо них построить церковь во имя святого Александра Невского. Храм задумывался как памятник императору Александру III, вдохновителю строительства Великого сибирского железнодорожного пути, «им же задуманного и основанного». Строить его решили возле железнодорожного моста, от границы, где начинался Средне-Сибирский участок железной дороги.

На общем собрании населения было решено переименовать поселок Кривощековский в Александровский в честь строительства церкви во имя Святого благоверного князя Александра Невского. Однако это название нигде в документах не было зафиксировано, лишь упоминалось в «Томском справочном листке». Позже, спустя много лет, Новониколаевская городская дума планировала установить в Новониколаевске памятник Александру II к 50-летию освобождения крестьян от крепостной зависимости, напротив собора Александра Невского, на стрелке, образуемой Кабинетской улицей и Николаевским проспектом. Для сбора средств на строительство храма была организована комиссия под руководством начальника строительства участка дороги Николая Меженинова. В нее вошли инженеры Березин, Королев, Ливенцов, Линк, крестьянин Вагин, купец Жернаков, лесничий Имшенецкий, мещанин Можаров и другие.

Строительство храма требовало значительных затрат. Большую часть средств царствующий дом выделил из фонда имени императора Александра III, учрежденного императором Николаем II. Деньги этого фонда направлялись на постройку церквей в районах переселенческого движения вдоль Сибирской железной дороги. К 1904 году было построено 214 церквей на общую сумму около двух миллионов рублей. Сам Николай II пожертвовал пять тысяч рублей из средств Кабинета Его Величества и выделил под храм безвозмездно 2.400 квадратных сажен земли. Позже он добавил на строительство храма еще шесть с половиной тысяч рублей. Добровольные взносы вносили железнодорожные служащие, рабочие, строители дороги и купцы.

Понимая, что строительство храма на 500 человек займет несколько лет, решили открыть временный деревянный молитвенный дом. Его построили за месяц на благотворительные средства, и престол был освящен в честь святого Александра Невского. С открытием храма молитвенный дом был упразднен. Местоположение его неизвестно, предполагается, что на его месте был сооружен храм в честь Покрова Пресвятой Богородицы. В ноябре 1898 года, еще не завершив строительство храма Александра Невского, в поселке Новониколаевском была освящена новая деревянная церковь во имя Пророка Божия Даниила возле железнодорожной станции Обь, ставшая старейшим храмом Новониколаевского поселка.

Руководить строительством собора Александра Невского был назначен инженер Николай Тихомиров, ранее руководивший строительством последнего пролета моста. 31 марта 1897 года было открыто «правильное» движение через мост, и Тихомирова перебросили на другой участок работы. Он был человеком ответственным и справедливым, поэтому ему доверили столь необычную для него задачу. Его жена Мария Ананьевна вспоминала: «На всякие ответственные моменты он брал меня с собой, бегал по всему зданию, говорил: «Ты долго будешь жить, вот посмотри, ни одной трещины не будет, а вот в Петербурге Исаакий всегда в лесах стоит».

15 мая 1897 года состоялась закладка храма. На молебне присутствовали томский губернатор, начальник Алтайского горного округа, инженер Меженинов, сам руководитель строительства инженер Тихомиров и большое количество жителей поселка. Строительство началось активно. Ленточный фундамент храма был сделан из естественного бутового камня. Первоначально стены планировали выложить рядами из светлого и темного кирпича, но эта идея оказалась слишком затратной, и от нее отказались, остановившись на красном кирпиче. Сложную кладку осуществляли итальянские рабочие-каменщики. Полы мостились на металлических плитах, а плитку для пола привезли специально из Голландии. Внешние стены были побелены, а роспись внутри храма выполнили иконописцы первой в Сибири Томской мастерской Иосифа Панкрышева.

В конце 1898 года была завершена кладка стен, а 29 декабря 1899 года епископ Томский и Барнаульский Макарий освятил главный престол собора Александра Невского. В 1904 году были освящены боковые приделы храма во имя Святителя и Чудотворца Николая и во имя святого великомученика и Победоносца Георгия. Храм стал не только красивейшим зданием поселка, но и самым крупным церковным сооружением на всем протяжении Великого сибирского железнодорожного пути.

Через год руководитель строительства Николай Тихомиров неожиданно умер от кровоизлияния в мозг. За его заслуги он был похоронен в ограде храма. На могиле установили гранитную плиту с надписью золотыми буквами: «Здесь покоится прах строителя храма сего, Тихомирова Николая Михайловича».

В 1971 году рабочие обнаружили склеп с телом Тихомирова во время строительных работ. 18 августа 1971 года исполком Новосибирского горсовета принял решение о перезахоронении праха на Заельцовском кладбище. Перезахоронили и забыли. Именем Тихомирова не названы ни одна улица, ни один переулок, лишь разъезд недалеко от станции Чулымская.

Во времена советской власти храму пришлось пережить тяжелые времена, хотя его и не разрушили. В 1938 году по решению Новосибирского горсовета собор закрыли, снесли колокола, кресты, разрушили колокольню. В годы Великой Отечественной войны там размещался проектный институт «Промстройпроект». Здание было частично реконструировано: заменены оконные переплеты, встроено перекрытие, частично нарушена кладка фасадов. Полностью была уничтожена роспись. В 1957-1958 годах в бывшем храме разместилась Западно-Сибирская студия кинохроники, снова перепланировав и испортив архитектурный памятник. Лишь в сентябре 1989 года по решению облисполкома здание вернули Новосибирскому Епархиальному управлению Русской Православной Церкви.

В 1991 году собор Александра Невского был вторично освящен Святейшим Патриархом Алексием II. После реставрационных работ он вновь стал одним из красивейших зданий, радующих верующих, жителей и гостей Новосибирска.