Първата копка е направена от княз Александър Батемберг през 1882 г. Строежът започва реално през 1904 г., завършен е през 1912 г., а освещавенето става едва през 1924 г.

Екипът от архитекти се оглавява от руснака Ал. Померанцев, а стенописната украса и мозаечните композиции са дело на общо 24 руски и български художници. Фасадите са облицовани с врачански камък, а за вътрешността са използвани мрамор от Сиена и Карара, бразилски оникс, алабастър и други.

Особеният статут на храма не позволява извършването на граждански потреби. Изключения са направени за венчавката на цар Борис III, за опелото на царя през 1943 г., на патриарх Кирил и на оперния бос Борис Христов.

По време на режима достъп до тържествените служби имала само номенклатурата.

В криптата на катедралния храм е изложена една от най-представителните в света колекции от православна иконопис и изкуство – над 200 български икони, фрески, и църковна утвар.