Первым с ходатайством о строительстве нового храма в Петергофе в 1892 году обратился заведующий придворным духовенством протопресвитер Иоанн Янышев.

На основании этого ходатайства Министром Двора, Графом И.И.Воронцовым-Дашковым, было разрешено в 1892 году Петергофскому Дворцовому Управлению сделать официальное представление о построении нового храма в таких размерах, чтобы он вполне соответствовал числу молящихся и устранил бы все неудобства ныне существующей церкви.

Александр III одобрил идею строительства и лично определил место около Царицынского (Ольгина) пруда, а также назвал зодчих, которым были заказаны проекты — Н.И. де Рошфеор, А.И. Семенов, Л.Н. Бенуа и Н.В. Султанов.

После долгих обсуждений, Император предпочел проект Н.В. Султанова. В ноябре 1893 года Н.В. Султанов был назначен строителем храма, и начались долгие годы строительных работ, в течение которых архитектор не только наблюдал за ходом строительства, но и делал все детальные чертежи архитектурного декора и убранства храма.

Осенью 1894 года была образована строительная комиссия, и в течение 1894 — 1895 годов был выведен весь фундамент храма. Закладка состоялась 25 июля 1895 года, в день годовщины бракосочетания в. кн. Ксении Александровны, дочери императора Александра III, и в. кн. Александра Михайловича.

Строился храм за счет средств Министерства Императорского Двора и обошелся в 850 000 рублей в ценах 1905 г. За четыре года было возведено само здание, затем три года шли штукатурные работы, работы по отоплению и вентиляции. Последние два года производилась роспись храма, устройство иконостаса. Вокруг храма был разбит сквер. Тогда же были построены здания церковно-приходской школы, котельной и электростанции.

Освящён собор был 12 (25) июня 1905 года тем же протопресвитером Иоанном Янышевым в присутствии императорской семьи. Боковые приделы Св. Александра Невского и преп. Ксении были торжественно освящены в один день — 28 августа (10 сентября) 1905 года. После Октябрьской революции службы в соборе продолжались. Жители по-прежнему слушали великолепное пение, которое прекрасно звучало в соборе, поскольку он имеет хорошую акустику. В 1920-х годах началась борьба с религией, но собор ещё жил. Богослужения шли в соборе до конца декабря 1937 года.

В феврале 1938 года появился следующий документ: «По просьбе рабочих и служащих завода №1 и в ознаменование двадцатилетия Декрета об отделении церкви от государства собор закрывается для переоборудования под клуб». Там же есть требование о сносе собора. Но сначала в соборе устроили склад, который был и после войны. С 1972 года собор был взят на учет, а в 1974 году — под охрану государства как памятник истории и культуры. В том же году были установлены строительные леса для проектных работ, которые выполнялись архитектором-реставратором Е. П. Севастьяновым. К 1980 году были установлены купола, а к 1987 году были завершены все работы по реставрации фасадов,

В 1989 году собор был возвращён церкви. С 1990 года шла реставрация интерьеров собора, иконостаса. 9 июля 1994 года храм был полностью освящён Патриархом Алексием II.

25.03.2018 г. Казаки Терской общины СПб и ЛО, по приглашению Настоятеля Собора Протоиерея Михаила, посетили Пассию (особое богослужебное последование, совершаемое Великим постом в воскресные дни вечером, на котором читаются тексты Евангелия, повествующие о страданиях Христа). Протоиерей Михаил долгое время служил в Храмах Ставропольского края, и не понаслышке знаком с Терским Казаками. По окончании вечернего богослужения, священнослужитель пообщался с Казаками, рассказал о себе, обсудили насущные вопросы. Так же, в преддверии трагической даты 27 марта, собравшиеся ещё раз помянули невинно убиенных Терских казаков и их семьи. Помолились за души всех кто сгинул в те страшные годы.