16 октября 1837 года для Пятигорска стал историческим днем. В город прибыл император Николай I. Во время визита государь побывал на молебне в Скорбященской церкви. Она ему показалось слишком маленькой и тесной. По возвращению в столицу он распорядился, чтобы старший архитектор департамента военных поселений А.Я. Андрееев составил проект будущего нового пятигорского храма. В 1842 году проект и смета были составлены и утверждены. За образец брался проект петербургской Введенской церкви К.А. Тона, а стоимость постройки оценивалась в 45 тысяч рублей. На постройку храма объявили всероссийский сбор денег и через три года половину необходимой суммы собрали. Архитектор Самуил Уптон убедил князя Воронцова строить храм в самом центре города на новом месте. Закладка храма состоялась 25 июня 1847 года. Но быстро построить храм не получилось. Уже возведенный до карниза в 1857 году его вновь полностью разобрали. Из-за разнородной кладки и плохой подгонки кирпичей на стенах появились трещины. Расследование и суд, длившиеся 13 лет, установили вину подрядчиков.
Возобновили строительство только через пять лет, после того как укрепили фундамент. Летом 1864 года храм был уже достроен до купола, но закончились деньги на строительство. Синод в 1865 году на завершение строительства выделил 10 000 рублей и к осени 1868 года храм достроили. Торжественное освящение «многострадального» Спасского собора состоялось 31 мая 1869 г., которое совершил епископ Кавказский Феофилакт. В 1877 г. на углу Царской и Церковной улиц появилась звонница с колоколами.
Высокий пятиглавый кубовидный собор из машукского камня был построен в русско-византийском стиле. Фасады храма, разделенные на три сливающиеся части (пряслины с кокошниками), символизировали Святую Троицу – основной догмат православия. Центральная купольная глава с куполом олицетворяла Иисуса Христа, а четыре столба (пилона), на которые она опиралась, а также четыре звонницы под куполами на углах здания – четырех евангелистов, разнесших благую весть о Спасителе. В плане храм имел форму креста – главного символа христианской веры. Некоторая сухость и строгость, присущая белым фасадам храма, подчеркивала аскетизм и чистоту истинной веры. Узкие окна-бойницы напоминают о защищающей, охранительной силе церкви. Архитектурная композиция храма отражала идею самодержавия, так как напоминала Успенские соборы Владимира и Москвы, в которых «венчались на престол» князья и московские «государи всея Руси».
После революции в храме еще 10 лет проводились богослужения, но их прекратили в 1927 г., а осенью 1936 г. звонница, Спасский собор и усыпальница генерала Евдокимова были снесены. На их месте собирались построить кинотеатр. Но после войны на пустыре, где некогда возвышался собор, построили кафе и столовую с летними террасами. Они были убраны в 1982 г., а на территории разбили большой сквер с фонтаном. Его часть обособилась в Пушкинский сквер с памятником поэту.
Решение о восстановлении собора было принято в начале 90-х гг.
Кафедральный собор в Пятигорске было решено воздвигнуть на месте первого Спасского собора. 1 августа 1992 г. был установлен металлический крест. В 2004 г. при рытье котлована для будущего храма были обнаружены металлическая плита и каменный крест, заложенные в основание фундамента первого собора.
Собор, рассчитанный на тысячу молящихся, стал главным храмом Пятигорска, столицы Северо-Кавказского федерального округа, и в соответствии с Указом Патриарха — Кафедральным Собором епархии. В цокольном этаже собора обустроен зал на 300 человек, ставший молодежным центром епархии.
На южном фасаде храма установлены часы-куранты в соответствии с первоначальным проектом Спасского собора.
Вместе со Спасским собором была восстановлена и историческая соборная площадь — таким образом, Пятигорску одновременно возвращены два утраченных в прежние годы символа.
