В 1882 году для стремительно растущих заводских поселков около Сормовского завода была построена церковь в честь святого князя Александра Невского. Однако Сормово продолжало расширяться, и к концу XIX века на заводе трудилось более 10 тысяч человек. Маленькая церковь уже не могла вместить всех желающих, особенно в праздничные дни. 29 марта 1898 года попечители церковно-приходских школ Сормовских заводов решили начать разработку проекта нового храма. Строительство собора по проекту архитектора Павла Малиновского получило одобрение. 17 декабря 1899 года для строительства собора в Сормове был создан специальный строительный комитет под руководством Ф. А. Фосса, а среди рабочих начался сбор пожертвований.

8 сентября 1900 года состоялась торжественная закладка фундамента храма, а в 1905 году был освящён главный престол.

Храм был рассчитан на более двух тысяч прихожан, и позже его вместимость увеличили. Внутри главного храма установили шестиярусный резной иконостас, увенчанный восьмиконечным кованым крестом, а к Царским Вратам из моленного зала вели семь мраморных ступеней. Комплекс зданий включал в себя дом причта, крестильню и несколько хозяйственных построек.

В 1927 году собор был закрыт, с него сняли кровлю и конфисковали церковную утварь. Первоначально планировалось его взорвать, но вместо этого в здании открыли детский дом культуры, а позже разместили склад и холодильник. Лишь в 1990 году храм был возвращён Русской православной церкви и впоследствии отреставрирован.