Название собора связано с одним из самых трагических событий в русской истории. Храм Спаса на Крови построен на месте, где был убит царь Александр II членом подпольной группы Игнатием Гриневицким. Это случилось 1 марта 1881 года, когда карета императора свернула на Екатерининский канал. Для покушения Гриневицкий использовал самодельную бомбу, в результате взрыва погибли несколько человек.

После убийства была создана комиссия для увековечения памяти Александра II и объявлен конкурс на лучший проект храма. К полудню 31 декабря 1881 года (12 января 1882 года) было представлено 26 анонимных проектов.

В конкурсе участвовали известные архитекторы страны. Новый император Александр III настаивал на русском стиле здания и отдельном приделе на месте, где пролилась кровь. Лишь с третьей попытки был выбран проект Альфреда Парланда, профессора Академии художеств. Храм заложили в 1883 году, строительство прошло быстро, но отделка заняла 10 лет, и освятили его в 1907 году.

С момента открытия в храме проводились службы в память об убитом императоре. После социалистической революции собор подвергался нападкам со стороны новых властей, богослужения прекратились, и финансирование было полностью остановлено.

Некоторое время его использовали как овощехранилище, в блокаду, как морг, а после войны, как склад театральных декораций. Несколько раз его собирались разрушить, но в 1970 году началась реставрация. С 1997 года обновленный храм вновь открыт для посетителей, а в 2004 году возобновились богослужения.

В 2015 году в Европе был опубликован рейтинг популярных туристических объектов мира, в котором Спас на Крови занял 12-е место.