Идея построить новый храм возникла после визита в Усть-Сысольск в 1848 году епископа Вологодского и Великоустюжского Евлампия. Он заметил, что в столице зырянского края недостаточно почитают Стефана Пермского, который был канонизирован еще в 1549 году. Вдохновленные его словами, городские власти в 1850 году обратились к губернатору с предложением о строительстве новой церкви, так как местные жители давно этого желали.

Интересно, что против строительства выступало местное духовенство, возглавляемое протоиереем Вонифатием Кокшаровым. Они считали, что в небольшом городе достаточно трех храмов, а строительство нового из-за бедности горожан, рискованное предприятие. Протоиерей предлагал привести в порядок уже существующие церкви. Однако церковное начальство не приняло их доводы во внимание и передало решение вопроса на усмотрение городского общества. Городские власти, возглавляемые купцом И. Новоселовым, получили разрешение на строительство в 1852 году. Иронично, но председателем комиссии по строительству стал протоиерей Кокшаров.

Строительство началось в 1856 году. Основные работы по кирпичной кладке выполняли опытные каменщики из Великого Устюга и Сольвычегодска под руководством Н. Черепанова, сольвычегодского мещанина, которому помогали местные жители (до 50 человек). За три года были возведены стены и перекрытие первого этажа, но затем работы приостановились из-за нехватки средств. В 1868 году строительство возобновили. Лишь в 1881 году постройка Стефановского храма была завершена вчерне, а в следующем году завершили внутреннее устройство нижней церкви, и 24 ноября 1882 года освятили один придел в честь иконы Божией Матери.

В 1896 году при большом скоплении народа была освящена верхняя церковь с престолом святого Стефана Пермского. В храме установили огромный трехъярусный иконостас, привезли три большие иконы, подаренные из Исаакиевского собора в Петербурге, и другие, заказанные в Сергиевом Посаде. В 1894 году началось строительство колокольни на пожертвования в размере десяти тысяч рублей от неизвестного благотворителя, и в 1897 году ее строительство завершилось.

После революции, в 1923-1924 годах, собор был закрыт. В 1927 году его вновь открыли, и он функционировал до 1929 года, но в 1932 году был полностью разрушен. Собор был самым большим храмом Коми-края, его размеры составляли 47 метров в длину, 26 метров в ширину и 45 метров в высоту.