Собор Богоявления был основан в 1693 году за восточной стеной Иркутского кремля. Первоначально храм был деревянным и носил название Петропавловская церковь. Её имя носила одна из башен кремля. Все постройки этого храма сгорели во время пожара 1716 года.
Спустя два года было решено восстановить собор, но уже из кирпича. Пожертвования на его строительство делали горожане и гости Иркутска. Через шесть лет после закладки первого камня был построен Петропавловский придел во имя святых апостолов Петра и Павла.
В 1729 году была завершена колокольня, а 22 июля того года был освящён придел во имя Иоанна Воина, который существовал до 1818 года.
Во время Большого Южно-Байкальского землетрясения 27 июня 1742 года сломался крест на одной из малых глав собора и обрушился каменный шатёр колокольни, вместо которого был сделан деревянный купол со шпилем.
Торжественное освящение Богоявленского собора состоялось 25 сентября 1746 года.
В 1755 году было начато строительство каменной ограды вокруг храма. В 1760-е годы к трёхпрестольному собору были пристроены ещё три придела: один с южной стороны — во имя Казанской иконы Божией Матери, и два с северной — во имя Иоанна Предтечи и во имя Всех святых.
В 1771 году в соборе был похоронен святитель Софроний Иркутский.
В ночь с 23 на 24 апреля 1804 года произошло землетрясение, в результате которого слетел крест собора и повреждён пятый купол, который позже был убран.
В сентябре 1812 года началось строительство второй соборной колокольни. Колокол был отлит ещё в 1797 году весом более 12 тонн и висел на столбах. Это был самый большой колокол в городе, поэтому получил соответствующее название — Большой. 30 марта 1815 года колокол был поднят на новую колокольню в стиле русского классицизма, которая 10 июня окончательно была покрыта железом и увенчана крестом.
30—31 декабря 1861 года во время землетрясения на Байкале собор вновь получает серьёзные повреждения: треснули своды, некоторые арки лопнули, выпали рамы, а в Петропавловском иконостасе с места сдвинулись две колонны.
Во второй половине XIX века рядом с собором было построено Архиерейское подворье, где расположились покои архиерея и административные помещения. Со временем сюда перевели Духовную консисторию, появилась библиотека православной периодики, построили здание для духовного училища. Также была усыпальница нескольких иркутских архиереев.
В 1894 году завершилось строительство Казанского собора, в который была перенесена кафедра Иркутской епархии, что означало потерю Богоявленским собором статуса кафедрального собора.
После Октябрьской революции 1917 года Собор Богоявления был закрыт для верующих. В его здании разместился кондитерский цех хлебозавода. Храм неоднократно подвергался изменениям под производственные нужды завода. Четверик соборного здания был разделён на несколько этажей под общежитие.
В 1960 году Богоявленский собор и Спасскую церковь хотели снести. Специально для подписания соответствующих бумаг приехала Галина Оранская, архитектор из Москвы. Но вместо того, чтобы дать приказ о сносе, она взялась за реконструкцию культовых сооружений. Тогда же храм получил статус памятника архитектуры республиканского значения. При этом в предполагаемом первоначальном виде была восстановлена шатровая колокольня, разрушенная землетрясением в XVIII веке; проект на основании сохранившихся в Подмосковье аналогов составила сама Оранская.
В 1968 году печи хлебозавода были ликвидированы, началась реставрация собора, которая продлилась 18 лет. После реставрации храм был передан Областному краеведческому музею.
В 1994 году Собор Богоявления был передан Иркутской епархии, которая вскоре начала проводить богослужения в Петропавловском приделе.
В 2002 году была завершена роспись алтаря.
