Перший камінь у фундамент храму був закладений в липні 1844 року. Будівництво велося під наглядом місцевого інженера А. Марина і віденського архітектора А. Рёлля. У 1860 році за проектом Йозефа Главки було перебудовано фасад храму. Через 20 років після початку робіт в липні 1864 єпископ Євген (Гакман) освятив собор, однак внутрішні оздоблювальні роботи тривали аж до кінця століття, оскільки ще в 1892-1896 роках група художників із Відня розписувала стіни.
Собор побудований в стилі пізнього класицизму з елементами італійського Відродження, причому за основу був узятий один з проектів петербурзького Ісаакіївського собору, подарований єпископу Гакману під час його паломництва в Троїце-Сергієву лавру. Домінантою архітектурної композиції собору є монументальний купол заввишки 46 м. Крім нього церкву увінчують два куполи, а також дві вежі-дзвіниці угорі з боків фасаду. На дзвіницях в дорадянський час перебували годинник.
У березні 2006 року біля храму був встановлений пам'ятник першому митрополиту Буковинської православної митрополії Євгену (Гакману).
