Собор збудований у 1866-1874 рр. як головний храм Волинської єпархії, що охоплювала тоді історичну Волинь, із західною Житомирщиною включно. Храм став окрасою міста Житомира. У крипті під собором був похований видатний архієпископ Волинський Модест (Стрільбицький), який спочив у 1902 р.