Собор задумывался как архитектурная доминанта закладываемого города София (ныне — часть города Пушкин). История создания храма связана с так называемым Греческим проектом Екатерины II: императрица стремилась сокрушить Османскую империю и на её землях воссоздать Византию с центром в Константинополе. Главной святыней этого города был Собор Святой Софии, и именно к нему должен был отсылать своей архитектурой новый храм, возводимый в Царском Селе, а также сам город, строившийся вокруг него.
В начале XIX века собор был передан лейб-гусарскому Его Величества полку и стал полковой церковью. Он сохранял этот статус до 1918 года, после чего был преобразован в обычный приходской храм. Участь многих других церквей постигла его сравнительно поздно — в 1933 году собор был закрыт властями и передан в ведение 32-й механизированной бригады, которая использовала здание в качестве склада.
Храм был возвращён церковной общине в 1988 году. В 1995 году он получил статус объекта культурного наследия, а в 1998 году для собора были изготовлены новые иконостасы.