Екатерининский собор, основанный 30 августа 1781 года, является самой старой постройкой на территории бывшей Херсонской крепости. Его заложил И. Ганнибал, а строительство велось под руководством московского архитектора И.М. Ситникова с 1781 по 1786 год. Собор был возведен из бледно-желтого ингулецкого известняка в стиле русского классицизма, с четырехколонным портиком на западном фасаде и невысоким куполом. В наружных нишах разместили шесть скульптур святых. Иконостас, выполненный в западноевропейской традиции петербургскими мастерами, не сохранился, но часть икон находится в Херсонском художественном музее им. Шовкуненко. Собор был освящен 17 мая 1786 года.

Год спустя его посетила императрица Екатерина II, в честь которой был отслужен молебен. Для нее было приготовлено кресло на «царском месте». По ее указанию на фронтоне главного фасада появилась надпись: «Спасителю рода человеческого Екатерина II посвящает», что дало собору второе название, Спасский.

23 ноября 1791 года, по распоряжению Екатерины II, в подвальном склепе собора были захоронены останки князя Г.А. Потемкина-Таврического, создателя Херсона и Черноморского флота. Вокруг собора покоятся его современники, захороненные по его указанию. Во время русско-турецкой войны 1787-1791 годов в ограде собора был создан мемориал с могилами павших героев.

К 1800 году западнее собора по проекту И.Е. Старова построили каменную колокольню, которая пострадала от землетрясения через два года. В 1806 году рядом возвели временную деревянную колокольню с большим колоколом, подаренным Екатериной II. Она использовалась до завершения строительства новой каменной колокольни, которая сохранилась до наших дней.

В мае 1922 года из собора изъяли ценности весом более 40 кг, а в декабре 1929 года сняли колокола и разобрали иконостас, часть икон передали в Херсонский краеведческий музей. В мае 1930 года в соборе открылся антирелигиозный музей, который вскоре закрыли, и здание использовали как зернохранилище. В августе 1941 года собор вновь освятили и открыли для верующих. Из сохранившихся частей прежнего иконостаса собрали новый, вернули некоторые старые иконы.

С 1945 по 1947 год Херсонская кафедра была перенесена в Екатерининский собор из Успенского собора. После войны храм действовал до 1962 года, затем его закрыли, а церковную утварь передали в Свято-Духовский собор. Здание использовали для хранения дров, а позже как склад облкниготорга. Некоторое время оно пустовало, но в августе 1968 года собору присвоили статус памятника республиканского значения и стали использовать как экскурсионный объект. В первой половине 1969 года на фасаде собора отреставрировали скульптуры Апостолов Петра и Павла. В 1970 году в здании собора открылся Дом пропаганды Херсонской областной организации Общества охраны памятников истории и культуры, где проводились выставки, кинолектории и музыкальные вечера.

В начале 1980-х годов по старым чертежам восстановили два верхних разрушенных яруса колокольни и установили позолоченный крест. Однако в 1989 году здание собора закрыли из-за аварийного состояния.

25 августа 1991 года храм был возвращен Церкви, начались реставрационные работы и возобновились богослужения. В 2007 году в соборе установили новый иконостас.