В период с 1641 по 1646 годы, после того как город Орел был сожжен поляками и литовцами, началось восстановление, в ходе которого на посаде в Большом остроге была построена церковь во имя Богоявления Господня. Со временем при ней возник мужской Богоявленский собор.

После пожара в 1680 году церковь была перенесена на версту вниз по течению Оки и стала приходской. Каменное здание Богоявленского собора в Орле было возведено в начале XVIII века, что подтверждается его архитектурными формами. Первоначальный облик здания, сохранившийся на рисунках и фотографиях, был стройным и богато украшенным, относящимся к стилю «нарышкинского барокко», популярного среди бояр, близких к царскому двору.

В 1837 году собор подвергся капитальной перестройке, в результате которой появились массивные апсиды и новые классицистические портики, хотя основные части здания и колокольня остались неизменными. В 1900 году было признано, что колокольня грозит обрушением, и она была разобрана. В 1908 году началось строительство новой колокольни с двумя башнями в псевдорусском стиле, который доминировал в русской архитектуре конца XIX, начала XX века. Ярусы колокольни украшали кокошники и малые главки.

С 1900 года настоятелем церкви был протоиерей Илия Васильевич Ливанский, который в 1906 году стал председателем Орловского церковного историко-археологического общества.

В 1939 году колокольня Богоявленского собора была вновь разрушена. Во время войны был сбит малый глухой восьмерик и главка с крестом. В 1948 году собор находился в ведении верующих, и началась подготовка к ремонтно-восстановительным работам. В 1952 году была установлена новая главка, а в 1956 году московский художник частично расписал трапезную храма. В 1957 году восстановили старую живопись основного объема.

В 1964 году собор был переоборудован под городской кукольный театр, для чего разобрали главу храма, сняли кресты и перекрыли внутреннее подкупольное пространство плоским потолком.

В 1994 году собор был передан общине верующих, а 6 апреля 1996 года освящён архиепископом Орловским и Ливенским Паисием.