Храм находится в сердце старой Ялты, на Поликуровском холме, окруженном кипарисовым парком. Возведена церковь в XIX веке по чертежам архитектора Георгия Торичелли. Идея строительства принадлежала генерал-губернатору Новороссийского края, графу Михаилу Воронцову. Сооружение в стиле английских усадеб в псевдоготическом стиле не было похожа на традиционные православные церкви. Оно стало первым строением из камня и первым храмом в городе-курорте.
В начале 1880-х годов собор переделали под руководством архитектора Николая Краснова. Он расширил здание и уменьшил количество куполов до одного большого, придав ему черты византийского стиля. Также появился новый придел — в честь апостола Андрея Первозванного. В советское время здесь находился продуктовый склад. В 1990-х храм восстановила крымский архитектор Александра Петрова, вернув ему первоначальный вид. Сегодня это исторический памятник и место паломничества верующих людей.