Собор построен в стиле классицизма. Закладка нового собора состоялась 8 сентября 1838 года. Проект разработал архитектор Авраам Мельников — ректор Академии художеств. При воплощении проекта в жизнь были внесены некоторые изменения, в том числе по сокращению расходов. Строительство финансировалось рыбинскими купцами, среди которых были М. Н. Вязьмин, И. А. Миклютин, Л. П. Кувшинников, А. Д. Смирнов. В 1909 году он получил статус кафедрального по решению Святейшего синода.