В 1907 году, в ознаменование приближающегося 300-летия Дома Романовых, было решено соорудить в столице собор, напоминающий допетровские храмы Верхневолжья. Здание из железобетона выполнено в стиле ростовских соборных храмов XVI-XVII вв эпохи воцарения Михаила Фёдоровича. 14 марта 1913 г. состоялось торжественное поднятие креста на центральную главу строящегося собора. В 1914 г. освятили главный придел верхнего храма.

Феодоровский собор был построен на всенародные пожертвования (было собрано пятьсот тысяч рублей). Величественный пятикупольный храм мог вместить три с половиной тысячи человек. Высота сооружения 48 метров, площадь — 350 квадратных метров. Одна из стен храма повторяет кремлёвскую стену, символизируя единение Москвы и Санкт-Петербурга, двух городов — столиц России.

Храм был украшен цветными изразцами и майоликой. Северный фасад, выходящий на Миргородскую улицу, был облицован белым камнем, и на нём было изображено огромное родословное древо Романовых и Феодоровская икона Божией Матери. Купол собора был покрыт золочёной медью, а над входом находилась копия работы Васнецова «Мозаичный Спас». На колокольне стояли «именные» колокола, посвящённые каждому из членов семьи Николая II.

В 1932 г. по постановлению правительства храм был закрыт и вскоре превращен в молокозавод и перестроен, его купола снесли.

В 1993 г. городские власти передали храм Церкви, началась реставрация. 15 сентября 2013 г. патриархом Московским и всея Руси Кириллом совершён чин великого освящения трёх престолов верхнего храма собора.