Согласно преданию, еще в XVI веке на месте собора стояла Пятницкая церковь. В 1678 году в переписной книге на этом месте уже упоминается Никитский храм. К концу XVIII века церковь значительно обветшала, ее пришлось разобрать и встал вопрос о строительстве нового храма. В 1773 году торговавший лошадьми в г. Ахтырке (Харьковская губерния) орловский купец Константин Семенович Пастухов получил исцеление от многолетней болезни по молитве перед чудотворной Ахтырской иконой Божией Матери, прославившейся в то время многочисленными чудесами и почитаемой по всей России. Для нее был поострен величественный каменный собор в Ахтырке. Вернувшись в Орел, Константин Семенович обратился к епархиальному начальству за благословением на постройку каменного храма в честь Ахтырской иконы Божией Матери на Пятницком погосте. Разрешение было получено, и в том же году приступили к строительству храма. В 1775 году церковь была поострена и освящена.
В 1876 году храм расширили и устроили еще один придел в честь святого великомученика Никиты. Город к этому времени разросся, Ахтырская церковь с кладбищем при ней оказалась в черте города, кладбище было закрыто, а храм стал приходским. В 1803 году вновь были произведены строительные работы в храме, в результате которых подняли своды главного алтаря, а также устроили и освятили новый придел в честь Казанской иконы Божией Матери. В 1823 году была построена высокая четырехярусная колокольня. Первоначально она стояла отдельно от храма, но в 1870 году по проекту архитектора И. П. Лутохина трапезную удлинили и соединили с колокольней. В таком виде храм предстает и сегодня. В 1875 году вокруг церкви была поставлена ограда, уничтоженная перед Великой Отечественной войной. Причт храма состоял из двух священников, диакона и двух псаломщиков. К приходу были приписаны 275 дворов, более 1000 человек. При храме было 2 церковных дома — каменный и деревянный, а также свечная лавка на рынке. В октябре 1897 года стараниями церковного старосты М. М. Борзенкова при храме была открыта церковно-приходская школа, в которой обучались около сорока детей. Обучении было бесплатным. Первым заведующим школы и законоучителем стал священник Василий Леонов.
После революции храм, его священнослужителей и прихожан постигли скорбные испытания, обрушившиеся на Русскую Православную Церковь. В период «изъятия ценностей», наряду со многими иконами, был конфискован большой серебряный крест — древняя святыня храма, насчитывающая почти 500летнюю историю. Ахтырской церковь, была закрыта по решению ВЦИК Орловской области 3 февраля 1938 года. И использовалась не по назначению всего 3 года. В этот период она была превращена в зернохранилище. 15 марта 1942 года, во время оккупации города Орла, храм был открыт и в дальнейшем уже не закрывался. При освобождении Орла в 1943 году на колокольне Ахтырской церкви ранним утром 5 августа был водружен один из первых красных флагов.
В 1962 году Святейшим Патриархом Алексием I (Симанским), по ходатайству митрополита Орловского и Брянского Антония (Кротевича), Ахтырскому храму был присвоен статус кафедрального собора. В 1986 году в нем были произведены большие реставрационные работы: стены и потолок расписаны художником Федором Гладковым на библейские сюжеты; пол выложен мраморными плитами; центральный иконостас, высотой около 14 метров, украшен резьбой и позолотой. Был осуществлен и большой наружный ремонт здания, восстановлена изначальная форма куполов и шпиля колокольни, произведены работы по восстановлению кирпичной кладки барабанов четверика. Главки храма, купол и шпиль колокольни с крестами были покрыты листовой медью и позолочены.
Наиболее чтимыми святынями храма является чудотворная Ахтырская икона Божией Матери, а также иконы с частицами святых мощей: святого великомученика Никиты, священоисповедника Георгия Косова. Некоторое время в храме пребывали святые мощи святителя Тихона Задонского. В 1919 году они были изъяты из Задонского монастыря и переданы в Елецкий краеведческий музей. В 1930-е годы, в связи с устройством Орловского антирелигиозного музея, они были доставлены в Орел, где и находились до 1941 года. В годы немецкой оккупации мощи были перенесены в Богоявленский храм. В сентябре 1960 года, когда возобновились гонения на Православную Церковь, просьба директора Краеведческого музея о возвращении мощей в музей была удовлетворена. И еще 28 лет святые мощи находились в фонде музея. В дни празднования 1000-летия Крещения Руси мощи были переданы Церкви, тогда же было принято решение поместить их в Ахтырском кафедральном соборе. В 1991 году открылся Задонский мужской монастырь, и мощи святителя были возвращены на место. В память о пребывании их в Ахтырском соборе, кисть святителя Тихона, с давних времен хранившаяся отдельно, была оставлена в этом храме, где и почитается прихожанами одной из главных святынь. Для нее художником иконописцем А.И. Неверовым была написана икона святителя в рост и изготовлены ковчег для мощей и резной киот для иконы.
В июне 2008 года по благословению Преосвященнейшего епископа Орловского и Ливенского Иеронима Кафедральным собором епархии определено быть Смоленскому собору. Однако за Ахтырским собором по благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II также закреплен статус Кафедрального собора.
