После грандиозного пожара 1810 года и гибели в его огне церкви Пророка Илии в Ижевском заводе решили строить новый храм. Уже год спустя заводской архитектор Семён Емельянович Дудин, первый профессиональный ижевский зодчий, предложил проект большого трёхпрестольного собора. Он выполнил проект монументального собора с тремя престолами и тремя колокольнями, но проект был отвергнут в связи с излишней пышностью и дороговизной. Взамен отвергнутого проекта петербургские власти рекомендовали взять в качестве образца проект Андреевского собора в Кронштадте, выстроенного по проекту архитектора Андреяна Захарова. Дудин сумел адаптировать его не только к местности, но и к стеснённым денежным обстоятельствам: упростил структуру образца, а литые фрагменты здания заменил гранитными. Финансирование стройки осуществлялось Артиллерийским департаментом военного ведомства: собор планировался в качестве главного храма оружейного завода. Пример подавали и августейшие особы. Свои деньги на возведение Александро-Невского собора даровал император Александр I. Строительство его продолжалось с 1816 года по 1823 год. Главный придел был освящён в честь святого благоверного князя Александра Невского, южный придел — в честь святой великомученицы Екатерины, северный — в честь Казанской иконы Божией Матери, нижний «пещерный» храм — в честь святых мучеников Власия и Модеста. В 1824 году, во время пребывания на Ижевском заводе, император Александр I не приминул осмотреть самый большой на тот момент православный храм Вятской губернии.
Красивый и величавый собор был выдержан в традициях русского классического зодчества. Александро-Невский собор, выстроенный в стиле строгого русского классицизма, и поныне эффектно выделяется на фоне советской застройки центра Ижевска. А до начала ХХ века храм органично вписывался в целостный градостроительный ансамбль, который составляли: главный корпус оружейного завода, триумфальная Михайловская колонна и собор Александра Невского; вместе они символизировали три традиционных столпа российской государственности: «За веру, Царя и Отечество». Зданию присущи симметрично-осевая композиция и чёткость объёмно-планировочной формы. Квадратный тип здания в форме куба перекрыт сферическим сводом на барабане. Первоначально храм был декорирован в строгом классическом стиле, однако в 1870 году его интерьеры стали более пышными и помпезными: живописцы и резчики активно применяли золочение лепного декора, архитектурных деталей, а также иконостасов и куполов. Распор поддерживают четыре мощных пилона со срезанными углами. Две подпружные арки, лежащие на оси запад-восток, раскрыты на алтарь и главный неф, а с юга и севера они трактованы как ниши. Главный неф отделён от боковых двумя колоннадами ионического ордера. Перекрытие над главным нефом — коробовый свод. Традиционная для большинства православных храмов крестообразность плана обеспечена введением двух шестиколонных портиков с юга и севера основного храма и третьего под колокольней с западной части трапезной. Они тоже ионического ордера, но колонны здесь значительно тоньше внутренних колонн и с резко выраженным утолщением. Каждой внутренней колонне на северной и южной стенах трапезной соответствует пилястра.
Александро-Невский собор долгое время считался главным приходским храмом Ижевска, к нему был приписан целый ряд часовен и церквей, в том числе, по окончании строительства в 1907 году, и Михайловский собор. При храме действовало попечительство, ведавшее школами, больницами, богадельнями в округе. С 1875 года в Александро-Невском соборе работала воскресная школа, рассчитанная на 135 учеников.
1922 год стал одной из первых станиц в трагической истории Русской Православной Церкви. 23 февраля 1922 года был издан декрет «об изъятии церковных ценностей». Ценности должны были изыматься все, вплоть до богослужебных сосудов. Акция прикрывалась помощью жертвам страшного голода в Поволжье. Коснулась эта «акция» и Александро-Невского собора. Повторно собор был разграблен и после чего закрыт в 1929 году. Была разрушена колокольня, а 24 «звона» отправили на переплавку. Службы в храме прекратились по требованию юношеской организации «Союза воинствующих безбожников». Собор был переоборудован под клуб. С 1930 года бывшее церковное здание служило как детский клуб и кинотеатр, позднее как музей атеизма. В 1932 году после новой реконструкции в здании бывшего собора открылся первый в республике звуковой кинотеатр «Колосс». В 1937 году разобрали купол храма, после чего изуродованное здание было причислено к «памятникам архитектуры 1-ой категории».
Лишь в 1990 году храм возвратился в лоно Церкви. После подготовки плана реставрации в 1992 году начались работы по возрождению Александро-Невского собора. К концу 1993 года ремонт был завершён, на территории храма построен новый крестильный храм, иордань для освящения воды, временная звонница. 2 января 1994 года собор был переосвящён, и на Рождество здесь прошло первое, спустя многие годы богослужение. Главная святыня собора Александра Невского — икона Почаевской иконы Божией Матери.
В непосредственной близости от собора находится усыпальница Андрея Фёдоровича Дерябина — горного инженера, много сделавшего для строительства собора, под руководством которого с 1808 года по 1843 год возводился знаменитый Ижевский завод.
