Строительство началось в 1805 году, сразу после основания Новочеркасска. Проектировал собор архитектор А. А. Ященко, но в 1846 году здание обрушилось — причиной стали конструктивные ошибки.
На месте обрушившегося собора начали возводить новый по проекту И. О. Вальпреде, однако и этот вариант оказался неудачным: в 1863 году строительство остановили, а часть конструкций разобрали.
В 1891 году началось строительство нового собора по проекту академика архитектуры А. А. Ященко (младшего) и инженера Н. Н. Дурбаха.
Собор стал третьим по величине православным храмом России после Исаакиевского и Храма Христа Спасителя.
В 1934 году собор закрыли, а в 1930‑е годы сняли кресты и колокола.
Возвращение Церкви началось в 1990 году, после чего стартовала масштабная реставрация.
Сегодня собор — действующий храм и главный духовный центр донского казачества. Он впечатляет масштабом и архитектурой:
Внутри — мраморные колонны, росписи, мозаики, иконостас, выполненный по образцу византийских храмов.
На площади перед собором проходят казачьи парады, богослужения, городские праздники.