Строительство собора начато в 1789 г. Окончательно здание собора достроено в 1832 г. Сооружение колокольни начато в 1818 г. Принятый к исполнению проект Васильева, переработан в процессе строительства П.И. Таманским. Проект приспособления здания выполнен архитектором Н.А. Шваревым. 

В 1946 г. от неосторожного обращения с осветительной ракетой сгорел шпиль колокольни. Завершение было восстановлено несколько меньшим по величине. 

В 2011 г. собор передан Пермской епархии РПЦ с условием нахождения в нем художественной галереи. 

Кафедральный собор размещается на повороте плесов Камы и воспринимается как маяк, указывающий на местонахождение города. Крупные детали колокольни рассчитаны на восприятие с больших расстояний. В летней части сохранился резной деревянный иконостас, привезенный из упраздненного Пыскорского монастыря. Иконы написаны академиком живописи Базилевским. Настенные росписи и мраморный иконостас зимнего собора не сохранились. Иконы, выполненные известными живописцами В.Л. Боровиковским, В.К. Шебуевым, Л.Е. Егоровым, и крепостными художниками Н.М. Казаковым и П.В. Ладейщиковым, хранятся в собрании Пермской художественной галереи. 

В середине XIX в. в росписи собора принимали участие пермские живописцы А.У. Орлов и В.П. Верещагин. 

В 2001 г. обнаружена настенная роспись под слоем масляной краски.

Здание является замечательным образцом культовой архитектуры конца XVIII - начала XIX вв. эпохи классицизма, одним из символов города Перми.