В 1855 году исполнилось 700 лет со дня явления Богородицы святому князю Андрею Боголюбскому. В честь этого события 19 мая 1855 года в Боголюбском монастыре была торжественно заложена новая соборная церковь в честь Боголюбской иконы Божией Матери. Годом ранее, в феврале 1854 года, московская купчиха Анна Герасимовна Алексеева с сыновьями Симеоном и Димитрием Петровичами обратилась во Владимирскую Духовную консисторию с просьбой разрешить строительство собора на их средства. Храм должен был включать приделы: правый в честь святого Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы, освящённый 18 июня 1866 года, и левый в честь апостолов Петра и Павла, освящённый 20 мая 1867 года. Проект разработал владимирский губернский архитектор Я.М. Никифоров, основываясь на образцовых проектах К.А. Тона, который проектировал храмы в византийско-русском стиле. В строительстве активно участвовали купцы из Москвы, Владимира, Шуи и Иванова.

Строительство собора длилось 11 лет и завершилось в 1866 году. Храм освятил святитель Феофан Затворник, который был канонизирован в 1988 году. Основные работы по возведению собора выполнял монах Серафим под руководством настоятеля архимандрита Иеронима, который скончался в 1865 году. Отец Серафим, почитаемый как святой человек, также не дожил до освящения. Завершением строительства и благоустройством храма занимался архимандрит Даниил. Проект иконостаса выполнил академик Ф.Г. Солнцев. Собор был оборудован отоплением: в цокольном этаже установили специальные печи и пневматическую систему.

В 70-х годах XIX века храм был расписан масляной живописью в классическом стиле. Эту работу выполнил потомственный иконописец Иван Иванович Шорохов с братьями П. и С. Шороховыми из села Боголюбово. В 1907-1908 годах А.И. Шорохов обновил и дополнил настенную роспись собора, а также создал новый резной иконостас с колоннами, покрытый червонным золотом.