Великолепный собор на главной площади Царского Села построен в 1835 - 1840 годах по проекту К. А. Тона. Композиция здания в основном повторяла композицию одноименной церкви в Екатерингофе и Введенского собора. Пять позолоченных луковичных глав собора опирались на круглые барабаны, фасады имели горизонтальное аттиковое завершение. Интерьер украшали живописные полотна "Распятие" А. Ван Дейка и "Слава Богородице" П. Веронезе. Роспись "Евангелисты" в куполе принадлежала кисти Ф. П. Брюллова. Святой престол храма имел серебряную одежду.

В 1916 - 1917 годах настоятелем собора служил протоиерей Иоанн Кочуров, в 1895 - 1907 годах - один из основателей Северо-Американской Православной Церкви, созидатель православных храмов в Соединенных Штатах, в том числе величественного храма Пресвятой Троицы в Чикаго. Когда 13 ноября 1917 года в Царское Село вступили отряды большевиков и арестовали священников, отец Иоанн был расстрелян разъяренной толпой солдат на глазах его сына. По просьбе прихожан пастырь был погребен в усыпальнице собора. В 1994 году Архиерейским Собором он был причислен к лику святых под именем Священномученика Иоанна, пресвитера Царскосельского.

Екатерининский собор был действующим до 1939 года. В начале июня 1939 года, рано утром жители близлежащих домов были разбужены взрывом - это ушел в небытие уникальный собор. В послевоенные годы на месте храма был воздвигнут памятник В. И. Ленину. В 1995 г. рядом с памятником, на месте алтаря разрушенного собора был установлен православный крест.

В 2006 г., после уничтожения памятника В.И. Ленину, были проведены археологические раскопки сохранившегося фундамента собора. Параллельно разрабатывался проект воссоздания собора. В том же году состоялось освящение закладного камня в основание храма. 15 февраля 2007 г. научный совет по сохранению культурного наследия Правительства С.-Петербурга принял Концепцию воссоздания собора. С середины 2007 г. развернулись строительные работы, которые велись в соответствии с первоначальными чертежами К.А. Тона. 7 декабря 2009 г. в строящемся соборе была отслужена первая божественная литургия. В тот же день прошло освящение новых колоколов храма.

Воссозданный собор был торжественно освящен Патриархом Всея Руси Кириллом 27 июня 2010 г. в дни празнования 300-летия Царского Села. Отныне в соборе три престола - святой Екатерины (центральный), и боковые - в честь Иоанна Царскосельского и в честь свв. Царственных страстотерпцев.