Проект постройки каменной соборной церкви рассмотрен и одобрен техническим строительным комитетом 12 июня 1875 года. Собор возводился долго, более двадцати лет. В 1895 году работы по постройке храма приостановлены в связи со смертью главного ктитора, С. О. Локтева. Возобновились через четыре года, в феврале 1899 года трудами местного священника Василия Парадоксова, председателя церковного попечительства.

Главный престол собора освящен 12 сентября 1899 года епископом Самарским и Ставропольским Гурием (Буртасовским; †1907), на следующий день совершено освящение правого придела в честь Казанской иконы Божией Матери. При храме построена колокольня, на которой три колокола, большой весом 624 пуда отлит в Саратове, средний весом 300 пудов отлит в Ярославле, малый весом 200 пудов.

В 1931 году сброшены колокола. В 1936 году разрушена колокольня. В ноябре-декабре 1935 года арестовано практически все духовенство города Пугачева во главе с викарным епископом Стефаном (Виноградовым). В 1937 году церковь закрыли. Здание церкви использовалось под зернохранилище.

В 1942 году в церкви возобновлены богослужения.