Собор стоит на углу Измайловского и Троицкого проспектов и сразу выдаёт заказчика: это полковой храм лейб-гвардии Измайловского полка. Первый, походный, храм-шатёр освятили в 1733 году, вскоре после прихода полка в город; летом его ставили ближе к устью Фонтанки. В 1754-м заложили деревянный пятиглавый храм с приделом мученика Иоанна Воина — по образцу церкви в Керстово, имении духовника императрицы; храм был холодным, службы шли только летом, а зимой полк молился в казарменной церкви.
Проект каменного собора поручили Василию Стасову, и образцом велено было держать прежний деревянный храм. Закладку совершил 25 мая 1828 года митрополит Серафим. Строили на личные средства Николая Первого и казённые деньги, потратив 3 млн рублей. Через четыре года здание было вчерне готово, но отделка затянулась; в 1834-м буря сорвала купол, его восстанавливали и заново писали образа.
Освятили собор 25 мая 1835 года, и тогда он считался крупнейшим храмом России: высота 80 метров, вмещает более 3000 человек. Купола выкрашены голубым с золотыми звёздами по указанию Николая Первого, данному в 1826 году. Фасады держат шестиколонные портики коринфского ордера, в нишах — бронзовые фигуры ангелов. Внутри 24 коринфские колонны и полукруглый иконостас мастерской Тарасова, который образует единое целое с надпрестольной сенью; роспись делали художники Травин и Медведев. Иконы для боковых приделов передали из прежнего деревянного храма.
Полковая память здесь не менее заметна, чем архитектура. В 1836 году в стены вмуровали мраморные доски с именами офицеров, погибших при Аустерлице, Фридланде, Бородине и Кульме; на стенах висели трофейные турецкие знамёна, в витринах хранились ключи от взятых крепостей. В 1894 году здесь отпевали Антона Рубинштейна. Колонну Славы из 108 трофейных пушек открыли у собора в 1886-м: наверху стояла фигура Славы, а на гранитном пьедестале висели бронзовые доски с перечнем сражений. В 1930-м колонну отправили на переплавку, а в 2005-м восстановили.
С 1928 по 1938 год собор был кафедральным собором ленинградских митрополитов, а потом его закрыли: собирались снести или переделать в крематорий, в здании устроили склад. Церкви вернули собор в 1990-м. 25 августа 2006 года загорелись леса на куполе: огонь уничтожил деревянные конструкции, простоявшие более 170 лет, и большой купол обрушился на свод. Людей и ценности успели вывести. Каркас собрали из клеёного бруса, восстановление заняло 11 лет и завершилось 11 января 2017 года.