В 1928 году архиепископ Шанхайский Симон (Виноградов) впервые обратился к русским православным верующим, проживающим в Шанхае, с призывом о сборе средств для постройки большого православного храма. Заложили собор в мае 1933 года, благодаря усилиям митрополита Виктора (Святина). Он строился по эскизам художника Я. Л. Лихоноса и техническом проектировании инженеров Б. Ф. Зензинова и Н. А. Белановского. Строительство собора было завершено в 1937 году епископом Шанхайским Иоанном (Максимовичем).
Высота храма составила 35 метров, вместимость – около 2,5 тысяч человек (+ 300 человек хористов). Общая стоимость сооружения и оборудования храма по окончании работ превысила 150 тысяч долларов. В годы культурной революции собор был закрыт для богослужений.
В 2002 году члены русской общины Шанхая написали письмо, в котором возражали против передачи в аренду здания собора: «Внутреннее убранство собора будет полностью реконструировано, а сам он будет переоборудован под дискотеку. Святое место с 70 летней историей, не будет с этих пор иметь ни дня покоя. Мы хотели бы выразить свое сожаление таким развитием событий». С тех пор Русский клуб Шанхая не прекращал попыток добиться возвращения собора.
15 мая 2013 года, в ходе первого в истории визита предстоятеля Русской православной церкви в Китай, Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил в здании бывшего собора божественную литургию.
В мае 2014 года в здании собора, в рамках визита в КНР Президента России В. В. Путина, прошла фотовыставка «Русские в Шанхае. 1930-е годы». Использование здания кафедрального собора для гуманитарных проектов, связанных с русским присутствием в Шанхае – является частью усилий Российской Федерации и Русской Православной Церкви по сохранению памятников русского духовного присутствия в Китае и нормализации положения Китайской Автономной Православной Церкви.
28 апреля 2019 года в соборе было проведено пасхальное богослужение, в котором участвовали несколько сотен верующих. Это была разовая акция, состоявшаяся с разрешения местных властей.
