Богоявленский собор был построен в 1776–1790 годах во втором Костромском кремле (называемом так в отличие от первого, располагавшегося в XIII–XV веках несколько выше по течению Волги, у впадения в нее реки Сулы, и сгоревшего в пожаре 1413 года) на месте прежнего женского Крестовоздвиженского монастыря, разрушенного пожаром 18 мая 1773 года.
Богоявленский собор и четырехъярусная 64-метровая колокольня в единой связи с ним строились по проекту и под руководством выдающегося костромского архитектора-самоучки Степана Андреевича Воротилова (1741–1792). Современные исследователи считают, что основой для воротиловского проекта колокольни послужил проект колокольни Смольного монастыря в Санкт-Петербурге, разработанный Б. Ф. Растрелли в 1747–1749 годах, но так и не реализованный.