Собор расположен на холме близ центральной автомагистрали города и виден издалека.
Решение о начале строительства собора было принято на собрании духовенства Камчатской епархии 9 августа 1999 года. Для строительства был утвержден проект архитектора Олега Лукомского, который предусматривал, кроме строительства собора с двумя-тремя приделами, реконструкцию действующего храма святителя Николая Чудотворца, строительство часовни, епархиального управления и других необходимых служебных помещений, составляющих вместе единый кремль.
В начале 2000 года был организован попечительский совет по строительству собора. Почетным главой совета был избран патриарх Московский и всея Руси Алексий II. На воплощение проекта в жизнь было необходимо около 50 млн. рублей, которые составлялись из пожертвований жителей города и области, при содействии ОАО "Газпром."
9 сентября 2001 года на месте строительства собора епископом Петропавловским Игнатием была совершена первая Божественная литургия. В том же месяце начались строительные работы. 28 июня 2002 года, в праздник Пятидесятницы, в основание строящегося храма была помещена стальная капсула с мощами святых Виленских мучеников Антония, Евстафия и Иоанна и закладной грамотой.
В мае 2007 года собор был увенчан куполами. К сентябрю 2010 года основные работы по строительству собора завершены, пошли роспись храма и благоустройство прилегающей территории. Для росписи собора были приглашены иконописцы из Волгодонска и Сергиева Посада, под началом Александра Таничева; иконописную программу подготовил московский иконописец Игорь Мясников. 19 сентября 2010 года, патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил великое освящение собора. По проекту помещение нижней части храма, после завершения отделки и росписи верхнего храма, должно стать концертным залом. Нижний храм должен быть расписан сценами из истории православия на Камчатке, начиная с первых миссионеров и главных исторических событий Камчатки — прежде всего победой над англо-французской эскадрой в 1854 году. На стенах зала предполагается выполнение росписи всей истории Камчатки. В 2018 году по благословению архиепископа Петропавловского и Камчатского Артемия были начаты работы по росписи нижнего храма кафедрального собора.
Несмотря на небольшой возраст храма, он пережил и трагические события. Так, в ночь на 28 января 2012 года в собор вломились грабители которые, не найдя денег, уходя подожгли иконостас. Хотя пожар удалось быстро отследить и потушить, были повреждены икона святителя Николая, деревянные конструкции собора и церковная утварь.
В 2015 году на территории храма была воздвигнута Часовня Петра и Февронии. На часовню установлен купол с крестом, здание оштукатурено и покрашено. Внутри часовни установлена мозаичная икона Петра и Февронии. В воскресенье, 13 сентября 2015 года, в день празднования перенесения мощей блгв.кн. Петра и Февронии Муромских, после Божественной литургии епископ Петропавловский и Камчатский Артемий в сослужении духовенства епархии совершил торжественное освящение новосооружённой часовни.
