1 марта 1881 года И. Н. Гриневицкий, террорист из "Народной воли", взрывом бомбы смертельно ранил на набережной Екатерининского канала Императора Александра II, возвращавшегося с парада в Михайловском манеже. Уже через полмесяца на месте убийства была освящена передвижная временная часовня, автором которой был Л. Н. Бенуа, а вскоре объявлен конкурс на проект храма-памятника.
Победителем конкурса стала во втором туре совместная работа А. А. Парланда и архим. Игнатия (Малышева), настоятеля Троице-Сергиевой пустыни, окончившего Академию художеств. В процессе доработки и упрощения архитектор, положив в основу "исконно русские начала", по желанию заказчика еще больше приблизил проект к памятникам московского зодчества, прежде всего к храму Василия Блаженного.
Девятиглавый однопресгольный храм на 1600 человек был заложен 6.Х.1883 в высочайшем присутствии, еще до окончательного утверждения проекта, ибо первые три тода пришлось вести работы по укреплению грунта и сооружению фундамента. В 1888 были начаты гранитный цоколь и стены, облицованные зигерсдорфским кирпичом десяти тонов. Колонки, карнизики, тяги и наличники делались из эстляндского мрамора. На двадцати темно-красных досках, укрепленных на цоколе, были высечены главные события и указы царствования Александра II. В 1894 закончилось возведение сводов и парусов, а в следующем году на столичном металлическом заводе изготовлены конструкции глав, пять из которых на фабрике А. М. Постникова покрыли особой разноцветной эмалью. 6.VII.1897 на главном шатре высотой 81 м. был водружен крест.
Еще раньше, в 1895, известная мастерская Фроловых приступила - сперва снаружи, а затем внутри - к мозаичному убранству, которое обошлось в полмиллиона рублей. М. В. Нестеров создал эскизы для Нерукотворного Спаса на западном и Воскресения на северном, Н. А. Кошелев - для Христа во славе на южном, Парланд - для Благословляющего Спаса на восточном фасаде, В. М. Васнецов - для мозаик над входами. В храм вели двери, обитые красной медью с серебряными изображениями святых царствующего дома работы костромского мастера Савельева.
Снаружи, под колокольней, на месте смертельного ранения, возвышается "Распятие с предстоящими" с крестом из мрамора и гранита, перед которым горела неугасимая лампада. По сторонам размещаются иконы святых, празднуемых в день рождения и кончины убитого Императора, а также сделанные по рисункам акад. П. А. Черкасова медные гербы губерний и областей России. Под золоченым куполом колокольни была написана в мозаике часть молитвы св. Василия Великого, воплощающая покаянную идею храма.
Мозаика почти сплошь покрывает и внутренность храма, что делает его единственным в мире примером этого искусства в новое время. Мозаичные работы на целых десять лет задержали освящение, которое свершил 19.VIII.1907 митрополит Антоний в высочайшем присутствии. По этому случаю на Монетном дворе была выбита особая медаль. Все строительство обошлось в 4,6 млн. руб.
Рисунки для мозаик интерьера выполнили В. В. Беляев, Н. Н. Харламов, А. П. Рябушкин, Н. А. Кошелев, Н. П. Шаховской, А. Н. Новоскольцев и др. В главном нефе представлена, согласно канонам, земная жизнь Спасителя, в западной части - Страсти, Распятие и Воскресение, в восточной - сцены после Воскресения. Все мозаики выполнены на высочайшем уровне и поражают своим художественным единством.
Мастерская Дж. Нови в Генуе изготовила из разноцветного мрамора по рисунку Парланда невысокий иконостас, увенчанный тремя крестами из горного хрусталя. Четыре иконы в нем написал Нестеров, местные образа - В. М. Васнецов. Иконы в царских вратах, отчеканенные из серебра на фабрике Хлебникова, исполнила из мозаики по эскизам Н. А. Бруни мастерская Фроловых.
Богатейшую утварь поставили фирмы Хлебникова и Фролова, работавшие по рисункам С. Ф. Комарова, в мастерской известного ювелира П. Овчинникова сделан двухпудовый оклад из серебра с эмалевыми вставками для напрестольного Евангелия. Серебряную дарохранительницу - уменьшенную копию храма, привезли из Костромы, а другую, из яшмы и орлеца, - с гранильной фабрики в Екатеринбурге.
После алтаря главное место в храме занимала великолепная сень, которую поддерживали колонны из серо-фиолетовой яшмы, венчал крест из топаза и окружала ажурная кованая решетка. Она стояла над сохраненным фрагментом булыжной мостовой, где произошло цареубийство. С сени свисали разноцветные неугасимые лампады, создававшие особое настроение печали и умиротворения. В день убийства здесь служили панихиду, а ежедневно - литию.
Известный знаток прот. Аристарх Израилев руководил изготовлением в Финляндии и настройкой колоколов храма, главный из которых весил 1100 пудов. От Михайловского сада церковная территория отделяется изящной оградой, сработанной на заводе К. Винклера.
27.IV.1908 митрополит освятил стоявшую рядом с храмом Иверскую часовню-ризницу, где были собраны иконы, поднесенные в память о кончине Александра II, в том числе "Распятие", приписывавшееся В. Л. Боровиковскому. В 1888 храму был подарен крест с кусочками камней от Живоносного Гроба, Голгофы, Вифлеемской и Гефсиманской пещер.
С самого освящения настоятелем в соборе, имевшем приход, служил прот. Петр Иоаннович Лепорский, профессор догматики в Духовной академии.
В 1923 храм получил статус кафедрального собора епархии, а через четыре года стал оплотом "иосифлян". Постановлением Президиума ВЦИК храм был закрыт 17.ХI.1930 и передан "под культурно-просветительные нужды". В 1934 Общество политкаторжан устроило в соборе выставку, посвященную "Народной воле". Однако через год ее закрыли, храм сняли с государственной охраны; стали раздаваться призывы снести этот шедевр русского зодчества, и перед войной был разработан соответствующий план.
Лишь в 1956 здание вновь обрело статус памятника архитектуры, хота надругательство над ним продолжалось: здесь находились мастерские, картофелехранилище, склад декораций. Снова возник замысел снести собор. В 1970 храм передан как филиал музею "Исаакиевский собор", в нем начались сложные реставрационные работы. Зарегистрированная в 1990 община подала документы на возвращение собора верующим, но дирекция музея не желает этого делать.