В 1907 году, в ознаменование приближающегося 300-летия Дома Романовых, было решено соорудить в столице собор, напоминающий допетровские храмы Верхневолжья.
В 1909 году был учреждён строительный комитет, который был принят под августейшее покровительство великим князем Михаилом Александровичем; председателем комитета стал свитский (до 25 октября 1909 года — при великом князе Михаиле Александровиче) генерал-майор Д.Я. Дашков.
В конкурсе проектов победил проект архитектора С.С. Кричинского, и в 1910 году он был принят к осуществлению. Место было выбрано на пересечении Полтавской и Миргородской улиц, возле Николаевского вокзала.
Закладка храма состоялась в 5 августа 1911 года в присутствии великого князя Михаила Александровича; богослужение возглавил архиепископ Волынский Антоний (Храповицкий); после молебна присутствовавшие клали в приготовленное углубление в месте закладки монеты, причём великий князь опустил монету времени царя Михаила Фёдоровича.
14 марта 1913 года состоялось торжественное поднятие креста на центральную главу строящегося собора — после молебна, служение которого возглавил Патриарх Антиохийский Григорий IV.
7 сентября 1913 года были освящены боковые приделы нижнего храма. 15 января 1914 года освящение главного придела верхнего храма совершил митрополит Владимир (Богоявленский); присутствовал император Николай II, который прибыл с дочерьми Ольгою, Татьяной и Марией, а также великой княгинею Елисаветой Феодоровной (присутствовали также председатель Совета Министров В.К. Коковцов и ряд министров, председатель Государственной Думы М.В. Родзянко, другие высшие чины); к началу литургии прибыла императрица Мария Феодоровна с дочерью Ольгою Александровною.
По предложению митрополита Владимира при соборе был учреждён приход, к которому, в частности, отнесли Николаевский вокзал со всеми службами и учреждениями. Настоятелем прихода назначили священника Владимира Шамонина (1882—1967). Одновременно собор служил и подворьем Городецкого монастыря Нижегородской епархии: к 1917 году на подворье жили архимандрит, 6 иеромонахов, 4 иеродиакона и 1 монах.