Собор Богоявления был основан в 1693 году за восточной стеной Иркутского кремля. Первоначально он был деревянным и назывался Петропавловской церковью, как одна из башен кремля. Все постройки храма сгорели в пожаре 1716 года.

Через два года было решено восстановить собор, но уже из кирпича. Средства на его строительство жертвовали жители и гости Иркутска. Спустя шесть лет после закладки первого камня был построен Петропавловский придел в честь святых апостолов Петра и Павла.

В 1729 году завершили строительство колокольни, а 22 июля того же года освятили придел во имя Иоанна Воина, который существовал до 1818 года.

Во время землетрясения 27 июня 1742 года был повреждён крест на одной из малых глав собора и обрушился каменный шатёр колокольни, который заменили деревянным куполом со шпилем.

Торжественное освящение Богоявленского собора состоялось 25 сентября 1746 года.

В 1755 году началось строительство каменной ограды вокруг храма. В 1760-е годы к трёхпрестольному собору добавили ещё три придела: один с южной стороны, в честь Казанской иконы Божией Матери, и два с северной, в честь Иоанна Предтечи и Всех святых.

В 1771 году в соборе был похоронен святитель Софроний Иркутский.

В ночь с 23 на 24 апреля 1804 года произошло землетрясение, в результате которого упал крест собора и был повреждён пятый купол, который позже убрали.

В сентябре 1812 года началось строительство второй соборной колокольни. Колокол, отлитый в 1797 году весом более 12 тонн, висел на столбах и был самым большим в городе, получив название Большой. 30 марта 1815 года его подняли на новую колокольню в стиле русского классицизма, которая 10 июня была покрыта железом и увенчана крестом.

30 и 31 декабря 1861 года во время землетрясения на Байкале собор вновь получил серьёзные повреждения: треснули своды, некоторые арки лопнули, выпали рамы, а в Петропавловском иконостасе сдвинулись две колонны.

Во второй половине XIX века рядом с собором построили Архиерейское подворье, где разместились покои архиерея и административные помещения. Со временем сюда перевели Духовную консисторию, появилась библиотека православной периодики, построили здание для духовного училища. Также была усыпальница нескольких иркутских архиереев.

В 1894 году завершилось строительство Казанского собора, в который перенесли кафедру Иркутской епархии, что означало утрату Богоявленским собором статуса кафедрального.

После Октябрьской революции 1917 года Собор Богоявления был закрыт для верующих. В его здании разместился кондитерский цех хлебозавода, и храм неоднократно перестраивали под производственные нужды. Четверик соборного здания был разделён на несколько этажей под общежитие.

В 1960 году планировался снос Богоявленского собора и Спасской церкви. Для подписания документов приехала архитектор Галина Оранская из Москвы. Однако вместо сноса она занялась реконструкцией. Тогда храм получил статус памятника архитектуры республиканского значения. В предполагаемом первоначальном виде была восстановлена шатровая колокольня, разрушенная землетрясением в XVIII веке; проект составила сама Оранская, используя сохранившиеся в Подмосковье аналоги.

В 1968 году печи хлебозавода были ликвидированы, и началась реставрация собора, которая длилась 18 лет. После реставрации храм передали Областному краеведческому музею.

В 1994 году Собор Богоявления был передан Иркутской епархии, которая вскоре начала проводить богослужения в Петропавловском приделе.

В 2002 году завершилась роспись алтаря.