Храм воздвигли на месте гибели императора Александра II. Спустя полмесяца после покушения на набережной Екатерининского канала (канал Грибоедова) была освящена передвижная временная часовня, построенная по проекту Л. Н. Бенуа, а вскоре объявлен конкурс на проект храма-памятника. Победил совместный проект А. А. Парланда и архимандрита Игнатия (Малышева), настоятеля Троице-Сергиевой пустыни. В процессе доработки, по желанию заказчика авторы приблизили проект к памятникам московского зодчества, в первую очередь к храму Василия Блаженного.
Девятиглавый однопрестольный храм на 1600 человек был заложен 6 октября 1883 года. Три года ушло на работы по укреплению грунта и сооружению фундамента. В 1888 году были начаты гранитный цоколь и стены, облицованные зигерсдорфским кирпичом десяти расцветок. В 1894 году закончилось возведение сводов и парусов, а в следующем году на столичном металлическом заводе были изготовлены конструкции глав, пять из которых покрыли разноцветной эмалью на фабрике А. М. Постникова. В 1895 году известная мастерская Фроловых приступила к наружному и внутреннему убранству храма мозаичными панно. Их устройство обошлось в полмиллиона рублей золотом, а все строительство стоило 4,6 миллиона рублей.
В 1923 году храм получил статус кафедрального собора епархии, однако уже 17 ноября 1930 года по Постановлению Президиума ВЦИК он был закрыт. Еще через четыре года и окончательно снят с государственной охраны. В самом конце 30-х — начале 40-х годов разрабатывались планы вообще снести этот уникальный памятник. В 1956 году храм снова обрел статус памятника. Но вплоть до 1970 года там находились мастерские, картофельный склад, склад декораций.
История храма уникальна еще и продолжительностью реставрационных работ. Начатые в 1970 году, они шли практически 27 лет. Только летом 1997 года удалось снять леса со Спаса на Крови.