Первоначальный деревянный собор в слободе Измайловского полка был построен в 1753-1756гг. Его особенностью была расстановка куполов по образцу украинских пятикупольных церквей, представляющих в плане равноконечный крест. Купола поставлены над ветвями креста по сторонам света. То же плановое решение и принцип расстановки куполов применены и в существующем каменном здании собора, построенном в 1828-1835гг. по проекту В.П.Стасова. Удачно решено пятиглавие, компактное по композиции и красивое по силуэту. Превосходно выполнены монументальные портики из коринфских колонн и пышный скульптурный фриз, венчающий гладь стен собора. Фигуры ангелов в нишах исполнил скульптор С.И.Гальберг. Во внутренней отделке применен коринфский ордер, колонны облицованы белым искусственным мрамором. Барабан главного купола декорирован изнутри пилястрами. Фасадная стена иконостаса закруглена. Ее основой служит колоннада из шести коринфских колонн. Сень над престолом составляет единую с иконостасом композицию и решена в виде полуротонды из четырех коринфских колонн. Во время Великой Отечественной войны собор пострадал от артобстрелов, были разрушены металлические конструкции одного из малых куполов. В 1952-1953гг. купол был восстановлен, в 1955-1956гг. проведены работы по реставрации лепных деталей, в 1966-1967гг. осуществлена полная реставрация. В 2006 году, во время очередной реставрации произошел пожар в результате возгорания деревянных лесов. При этом собору был нанесён непоправимый урон - были полностью уничтожены первоначальные деревянные конструкции купола. Купол восстановли, используя технологию клеёного бруса московской компанией "ТВТ Стройинвест". В 2009 году купол уже был восстановлен, установлен крест, но восстановлительные работы прололжались.