Высшие чины флота с 1830 года периодически обращались с предложениями о постройке в Кронштадте величественного каменного морского собора. И только прошение вице-адмирала Н. И. Казнакова, поданное им на Высочайшее имя в 1897 году, получило поддержку Императора Николая II, вследствие чего был образован комитет для сбора пожертвований на сооружение собора. Местом для строительства храма была выбрана Якорная площадь, располагавшаяся между Старым и Новым Адмиралтействами, и служившая многие годы складом огромных старых якорей. В 1897 году комитет объявил конкурс на составление проекта, причем поставлено условие: высота купола была такая, чтобы он мог служить приметным ориентиром для моряков, а крест был четко различаем с большого расстояния. В 1900 году после двух неудачных попыток проведения конкурса, составить проект Морского собора было поручено Императором Николаем II гражданскому инженеру Василию Антоновичу Косякову. 21 мая 1901 г. эскизный проект и модель были представлены Николаю II и получили одобрение.

27 октября 1901 года в присутствии главного командира порта адмирала С.О. Макарова и множества горожан на месте постройки храма настоятелем Андреевского собора о. Иоанном Кронштадтским был отслужен молебен, а 8 мая 1903 года, после завершения работ по устройству фундаментов, в присутствии императора Николая II и императриц Марии Федоровны и Александры Федоровны состоялась торжественная закладка кирпичных стен собора. В 1904 - 1905 гг. постройка замедлилась. Из-за войны с Японией начались перебои с выделением средств; события русской революции 1905 г. также сказались на поставке строительных материалов и изделий. Тем не менее работы по возведению стен, перекрытий и монтажу купольных конструкций продвигались вперед. 29 июня 1907 г. на колокольни собора были подняты колокола, отлитые в Москве на заводе Оловяннишникова. Их общий вес составил 27,2 т. Поверх гранитного цоколя стены облицовывались специальным кирпичом. Его, а также терракотовые орнаменты, оказалось дешевле купить в Германии и привозить из Любека пароходами. В течение 1907 г. в здании установили временные двери, рамы, остеклили окна, провели временное электрическое освещение, временное отопление. С осени начали протапливать собор, что позволило начать внутренние отделочные работы.

Покраска стен внутри выполнялась под руководством малярного мастера М. Налимова. 19 августа 1908 г. были закончены работы по отделке фасадов, а внутри начата разборка больших лесов, не дававших возможности начать укладку мозаичного пола. В этот же день Николай II на яхте "Александрия" принял В. Косякова и утвердил детальные чертежи чистовой отделки. 18 декабря Николай одобрил новые представленные детальные эскизы и чертежи. К этому времени уже были окончены работы по позолоте куполов, которыми руководил по подряду П.С. Абросимов. 28 июля 1909 г. в Кронштадт прибыл Николай II и осмотрел здание строящегося собора и "выразил свое удовольствие по поводу всего виденного".

Собор строился как памятник "чинам морского ведомства, погибшим при исполнении служебного долга, а также способствовавшим развитию и славе флота". В связи с изначальным решением об увековечивании памяти моряков на мемориальных досках-скрижалях на заседании строительного комитета 27 октября 1909 г. было решено следующее:
"1) На памятных досках в соборе должны быть написаны имена всех погибших, не только в боях, но и при исполнении служебного долга офицерских чинов Морского ведомства (флотских корпусов, по адмиралтейству, гражданских и медицинских чинов, священнослужителей и гардемарин).
2) Нижние чины, погибшие при исполнении служебного долга должны быть написаны общим числом, за исключением совершивших исторические подвиги, показываемых поименно.
3) Вероисповедания безразличны, как христианские, так и не христианские.
4) Сроком исполнения этой работы следует назначить 1-е сентября 1910 г."
В список вошло около 1000 фамилий. Погибшие в боях помещались на доски по войнам, а погибшие при кораблекрушениях и исполнении служебного долга заносились на доски по морям.

Наряду с мемориальными досками, хранившими имена погибших героев, храм должен был стать хранилищем реликвий, связанных с историей флота. Для их хранения в галереях второго этажа были отведены обширные помещения, которые предполагалось превратить в военно-морской музей. Здесь хранились реликвии кораблей, экипажей и флотских подразделений.

Грандиозный Морской собор, построенный в 1902 – 1913 годах в Кронштадте, стал одним из лучших образцов неовизантийского стиля. В реализации архитектурного замысла профессору Василию Косякову помогали его братья - Владимир и Георгий, а также художник-архитектор Н.А. Подберезский, инженеры А.А. Алексеев, А.И. Вексель, П.И. Дмитриев, А.А. Ломагин, техник И.И. Кашко, скульпторы Н.А. Попов, А.М. Андреев. Его торжественное освящение состоялось 10 июня 1913 года при стечении тысяч молящихся, императора Николая II с дочерьми, председателя Государственной Думы Г.Д. Родзянко, начальствующих лиц Кронштадта, морских чинов и членов строительного комитета. В этот же день был торжественно открыт с участием вдовы адмирала Макарова мост через овраг. Празднества по случаю открытия собора вошли в ряд пышных общероссийских торжеств по случаю 300-летнего юбилея династии Романовых. Святой Иоанн Кронштадтский не дожил до торжества освящения храма, который он закладывал.

Близкий по форме храму Святой Софии в Стамбуле, собор представляет собой базиликальное трехнефное сооружение, перекрытое большим куполом диаметром 26,7 метра. Общая его высота с крестом составляет 70,6 метра. Храм (с хорами) способен вместить до 6 тысяч молящихся, он является вторым по величине, после московского Храма Христа Спасителя, в России. Главный, западный фасад собора подчеркнут внушительным порталом и двумя сильно выступающими боковыми ризалитами, завершенными башенками-звонницами. Северный и южный фасады отмечены высокими арками и круглыми окнами-витражами.

Композиция здания усложнена системой больших и малых полукуполов на восточном и западном фасадах. Главный медный купол и купола звонниц обвивает рельефный орнамент из якорей и спасательных кругов. Храм увенчивает крест, как бы слитый с колесом штурвала. Здание отделано не без пышности: его фасады облицованы гранитом и глазурованным кирпичом, украшены мозаичными иконами, майоликовыми фризами.

Храм - трехпрестольный. Центральный придел был посвящён святителю Николаю Чудотворцу, правый - во имя преподобного Иоанна Рыльского (в честь небесного покровителя святого праведного Иоанна Кронштадтского), левый - в честь святых Апостолов Петра и Павла.

Внутреннее пространство храма расчленено двухъярусными, богато орнаментированными арками. Стены и своды внизу храма и на хорах покрыты росписью, имитирующей частью - разноцветную мозаику, частью - фрески. Роспись исполнена художником М.М. Васильевым. На полу из мрамора, заключенного в тонкую медную оправу, выложены изображения рыб, медуз, морских растений, корабликов. Замысел строителей воплотился так, что символически внизу Морского храма было изображено море, а наверху - небо. Иконостас белого натурального мрамора с мозаичными и бронзовыми вставками и удивительно тонкой ажурной резьбой (скульптор Н. А. Попов), беломраморные же, с добавлением розового олонецкого мрамора и лапис-лазури, сень над мраморным главным престолом, солея со ступенями, амвон и кафедра для проповедника, жертвенники, перила на хорах, горнее место и отдельные киоты производили неизгладимое впечатление.

Византийский стиль, в котором построен собор, был выдержан и в стенной росписи и в иконописи, в оформлении церковной утвари. Карнизы, купол и стильные греческие хоросы подсвечивались пятью тысячами электрических лампочек. Повсюду стены были украшены мраморной панелью с памятными досками, на которых высечены имена морских офицеров, павших в боях и при исполнении служебных обязанностей с 1695 года по текущее время (в 1929 году они были уничтожены), а выше покрыты до карниза искусственным мрамором и лепными орнаментами с мраморными вставками. Два яруса галерей поддерживались колоннами, покрытыми отполированным искусственным мрамором.

Мебель в соборе была резная из дуба. Внутренние дубовые двери с резными филенками украшены медными гвоздями, чеканными скобами, коваными решетками.

Здание было оборудовано по последнему слову техники того времени. Для уборки имелась стационарная пылесосная станция системы А. Бордига, установленная в подвале. В подвале также размещались агрегаты и приборы систем отопления, вентиляции, электрооборудования. Собор имел автономную центральную систему отопления. Котлы располагались в специально построенном здании к востоку от собора. Там же имелись комнаты для размещения служащих при соборе сторожей, электромонтеров и кочегаров. Здание котельной сообщалось с подвалом собора подземным туннелем. В подвале располагались три главных масляных трансформатора, к которым по подземному кабелю поступал ток частотой 50 Гц и напряжением 2000 В. В соборе имелось около 5000 электрических лампочек накаливания по 5-10 свечей. Кроме основной сети была оборудована еще и сеть дежурного освещения. Сложная и оригинальная для того времени система освещения прекрасно дополняла великолепие внутренней отделки и производила огромное впечатление на молящихся.

В 1913 году перед собором установлен памятник адмиралу С. О. Макарову.

Благодаря удачному расположению и огромным размерам Морской собор сразу стал неотъемлемой частью панорамы Кронштадта, ведущей доминантой западной части Невской губы.

Лишь четыре года просуществовал собор как храм-памятник Русского флота. В 1918 году он был "национализирован" большевиками и оставался в пользовании прихожан как арендуемое здание. 14 сентября 1919 года архиепископ Финляндский Сергий освятил правый придел храма. В июне 1920 года священномучеником митрополитом Вениамином Петроградским в соборе был освящен еще один придел. К лету 1929 года городские власти Кронштадта приняли решение о закрытии собора и устройстве в нём Дома Культуры и городского кинотеатра. Храм был закрыт и разорён, зданию был причинен немалый ущерб. Круглые окна его фасадов заложили кирпичом, великолепный иконостас разнесли вдребезги, были сняты кресты с куполов, памятные доски, разрушен алтарь. Иконы из храма были сожжены на южной площадке перед собором. С 1932 года в храме был открыт кинотеатр имени Максима Горького, а часть помещений использовалась под склады. В 1939 году здание Морского собора было передано Балтийскому флоту. Но время уже было предвоенное, и восстановительные работы не проводились.

В Великую Отечественную войну Морской собор сыграл большую роль в защите Кронштадта, Ленинграда и кораблей Балтийского флота. Под куполом собора был создан наблюдательный пост и командный пункт группы корректировочных постов морской артиллерии Кронштадтской крепости. Дальность видимости с поста достигал 45 километров. За время войны в купол Морского собора было несколько попаданий вражеских снарядов, разорвавшихся внутри здания. До сих пор стены барабана купола хранят следы пробоин от снарядов и отметины от осколков.

После войны были проведены штукатурные работы, отремонтированы купол, освещение, вставлены стекла. С 1950-х гг. до 1989 г. в здании находился гарнизонный военно-морской клуб. В 1953 - 1954 гг. в здании проведены работы по реконструкции и приспособлению здания для зрительного зала клуба. В связи с этим в здании соорудили подвесной потолок, отделивший зрительный зал от подкупольной части, переоборудовали сцену, балкон. Подвесной потолок украшен изображениями нарукавных знаков флотских специалистов и четырьмя картинами выдающегося советского художника-реставратора А. В. Трескина, на которых запечатлены события из истории отечественного флота: Гангутское сражение 1714 г., выстрел крейсера "Аврора" на Неве в 1917 г., бой торпедных катеров с фашистскими кораблями в Ирбенском проливе в 1941 г. и празднование 250-летия Кронштадта в 1954 г. Восстановлена старая роспись сводов галерей, изготовлены новые двери и люстры в вестибюлях и на хорах.

В начале 1960-х гг. киноконцертный зал стал филиалом Дома офицеров. В 1976 году здание Морского собора взято под охрану государства как памятник архитектуры, и на средства Военно-морского флота были проведены большие ремонтные и реставрационные работы. С 1980 года на хорах и галереях второго этажа собора разместилась экспозиция филиала Центрального Военно-морского музея "Кронштадтская крепость".

В 1990-е годы начался процесс подготовки к возвращению собору былого статуса главного морского собора России. В 1998 г. сотрудником Общества "Радонеж" Е.В. Исаковой была завершена работа по восстановлению текстов и внешнего вида мемориальных досок. В 2002 г. храм был передан Церкви.

Собор в 2002 г.

31 октября 2002 года на главном куполе собора со второй попытки был установлен золоченый семиметровый крест весом около двух тонн, изготовленный на Царскосельском заводе "София", а 25 ноября митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир совершил в храме благодарственный молебен и возобновил в нем регулярные богослужения.