Деревянная православная церковь, возведенная в Барановичах в 1908 году на месте нынешнего собора, была расширена в 1915 году во время Первой мировой войны. Однако в ночь на 2 мая 1921 года, после праздничной вечерни первого дня Пасхи, храм сгорел. Утром на месте пожара собрались православные жители города, и приход принял решение о восстановлении церкви.

Новый собор был построен в 1924-1931 годах. Основной объем собора, представляющий собой четырехстолпный квадрат, с восточной стороны примыкает к трем полукруглым апсидам и накрыт полусферическим куполом с круглыми окнами. Северный и южный фасады украшены монументальными портиками с четырьмя колоннами стилизованного ионического ордера, оформляющими боковые входы. С западной стороны узкая трапезная соединяет основной объем с трехъярусной колокольней, завершенной полусферическим куполом со шпилем. В декоре колокольни использованы угловые и спаренные колонны, полуколонны, лопатки и профилированные карнизы. Главный вход выделен полуциркульным тимпаном, а оконные проемы и ниши украшены наличниками с треугольными сандриками.

Под храмом находятся обширные подвальные помещения с отдельными наружными входами, включая ризницу под алтарной частью. Здание украшено мозаичными панно, которые сохранились с частичной утратой смальты. Эти панно были выполнены в 1902-1911 годах в петербургской мастерской В. Фролова для собора Александра Невского в Варшаве и перевезены в Барановичи в 1926-1927 годах.

В конце апсиды расположена мозаика «Богоматерь с Младенцем», являющаяся частью композиции «О тебе радуемся», созданной по эскизу В. Васнецова. Мозаики «Спас с донатором» и «Деисус», выполненные по картонам Н. Кошелева, находятся в тимпане фронтона южного портика и над северным входом соответственно. Архитектор Л. Бенуа изображен в образе донатора с моделью Варшавского собора Александра Невского. Мозаики «Богоматерь с Ангелами» и фрагмент композиции «Собор архистратига Михаила», выполненные по картонам Н. Бруни, расположены над южным входом и в тимпане фронтона северного портика. На южном опорном столбе изображен Иосиф Волоцкий, а на северном, митрополит Алексий, оба по картонам В. Думитрашко.

В 1926-1927 годах часть знаменитых мозаик Александро-Невского собора в Польше, включая фрагменты панно, таких как мозаика Н.А. Кошелева «Спас с донатором», была перевезена в Барановичи и укреплена на стенах построенного в 1931 году православного храма в честь Покрова Пресвятой Богородицы.