Собор находиться в самом центре Днепропетровска, на вершине  одного  из его холмов и  является памятником архитектуры.  В 1787 году первый камень в основание этого собора был заложен самой Екатериной II. Первый проек собора, разработанный французским академиком архитектуры Клодом Геруа . Храм представлял собой огромную пятинефную базилику. Кроме увенчивающего здание массивного купола, украшением здания должны были служить портики - восьмиколонный портик коринфского ордера на главном фасаде и шестиколонные портики на боковых фасадах. Проект интерьера собора выполнил итальянский художник Моретти. В 1788 году проект был сильно урезан городским архитектором Иваном Стартовым, который его не только урезал но и перепланировал.  Но эти проекты не были утверждены. Со смертью Екатерина II и Потемкина, ассигнования на постройку были сокращены и строительство прекращено. В 1805 году местный землемер Неелов составил очередной проект Екатеринославского собора, но встретился с отказом императора Александра І. После этого разработка проекта была поручена известному русскому зодчему-академику А. Д. Захарову. Тот составил план в основных чертах повторявший его же Кронштадтский Андреевский собор, с поправкой на значительно меньший объём финансирования, и этот проект наконец был утверждён. После личного рассмотрения дела императором Николаем I было вынесено высочайшее решение, "что кафедральный собор не есть предмет ежедневной необходимости" и поэтому его можно построить на горе, на том самом месте, где его заложила Екатерина ІІ. 20 апреля 1830 года начались подготовительные работы, а 22 мая того года состоялась повторная закладка собора. Строительство окончилось 9 мая 1835 года, а 29 июня того года собор был освящён. Стоимость собора составила 300 тыс. рублей, 100 тыс. из которых собрало местное население. Возведённый наконец храм был в шесПотолки и паруса сводов расписали академики живописи Безсонов, Сазонов и Теребенев в технике "сграффито". Стены расписаны под цветной мрамор. Поначалу главным, после фресок, украшением собора был резной, белый с позолотой иконостас. Понемногу появились и другие ценности, украсившие собор. Много утвари, одежд и хоругвей были переданы в новый собор из ризницы бывшей кафедры - Успенского собора. Возможно, некоторые ценные вещи передавались из других церквей губернии. Помогали и меценаты: от помещика Герсеванова, подарившего собору картину "Неверный Фома" работы итальянского мастера Гверчино, до жителей Вознесенской слободы, в складчину купивших для собора икону Вознесения, которую потом каждый год торжественно привозили в слободу для праздничного богослужения. Одновременно со строительством собора вокруг него были проведены большие работы по благоустройству. Курган, на котором стояла Екатерининская миля, был подрезан с боков и обложен "диким" камнем. Площадку, образовавшуюся вокруг нее, и ведущую к ней лестницу вымостили чёрной аспидной плитой и обнесли металлической оградой. На фундаментах старого собора возле боковых входов и алтаря поставили ограду по проекту Николая Денисенко. В ограде, напротив алтаря, архиепископ Гавриил (Розанов) установил мраморную колонну в память о строительстве храма, специально вывезенную для этого из Херсонеса Таврического (Севастополя). Со времени возведения храм стал кафедральным собором Екатеринославской епархии. В 1915 году во время однодневного посещения Екатеринослава собор посетил император-страстотерпец Николай II.  В советское время  Дмитрий Иванович Яворницкий, на тот момент директор исторического музея, разработал план спасения здания - превратить его в музей. План был принят и в 1931 году в закрытом соборе устроили первый в стране научно-атеистический музей. Во время переоборудования собора шпиль собора (возносившийся над всем городом), как "вещь идеологически вредная и невыдержанная", был разобран. Четырехсотпудовый колокол верующие чудом успели закопать за оградой церкви.