Собор был заложен в 1835 году по указанию Николая I. Строительство велось по плану и под наблюдением архитектора К. А. Тона. Средства на постройку выделял Кабинет его величества. Освящение собора произошло 06 декабря 1840 года духовником императора протопресвитером Николаем Музовским в присутствии самого Николая I и цесаревича Александра Николаевича.
Собор изначально состоял в епархиальном ведомстве, и в него в том же году был переведен причт Знаменской церкви со всеми окладами содержания. Причт, переведенный в 1841 году к собору от Знаменской церкви, состоял из протоиерея, ключаря, двух священников, диакона, двух дьячков и пономарей. В 1875 году вакансия одного пономаря была упразднена. Весь 1842 год шли благоустроительные работы на площади храма под руководством садового мастера Федора Федоровича Лямина. Было устроено 12 дорожек, сходившихся к собору. На площади также высажено 200 сизостволых тополей, привезенных из Голландии.
Собор пострадал от пожара в деревянном Гостином дворе, произошедшем в 1862 году. Наиболее существенно была повреждена позолота глав. В 1865 году, ввиду проступившей ржавчины, главы собора были закрашены кронгельмом, а в 1869 году - жёлтой краской, с оставлением нижних четырёх рядов, сохранивших позолоту.
27 июня 1874 года причт Екатерининского собора обратился к управляющему города с прошением перелить треснувший колокол и устроить особую для него нишу в арке над западным фасадом. 23 октября колокол сняли и в 1875 году перелили с увеличением веса. В мае того же года священники собора обратились к управляющему города с просьбой устроить для колокола временную деревянную колокольню. В 1876 году по проекту архитектора А. Ф. Видова в юго-западной части Соборной площади, недалеко от главного входа собора сооружена временная деревянная колокольня. В 1889 году великопостный колокол был поднят на прежнее место без всякого изменения фасада. В 1910 году причт Екатерининского собора обратился к городским властям с просьбой о пристройке "колонной колокольни, соответствующей красоте храма, сооружение которой послужило бы ознаменованию памяти 200-летнего юбилея основания Царского Села". Однако колокольня не была построена. В апреле 1890 года к 50-летнему юбилею начат самый большой ремонт собора, закончившийся в ноябре. При соборе в двухэтажном каменном доме на Колпинской улице располагалась Екатерининская церковно-приходская школа. В школе в начале XX века бесплатно обучалось около 180 учеников. К храму была приписана часовня святого благоверного князя Александра Невского в Гостином дворе (построена в 1862-1864 годах).
В 1917 году количество прихожан в соборе резко сократилось: "Настоятель Екатерининского собора в Царском Селе протоиерей Н. Смирнов отмечает, что в его храме в одну праздничную всенощную был всего один богомолец." С ноября 1916 года до своей кончины 13 ноября 1917 года в соборе вторым священником служил протоиерей Иоанн Кочуров. В конце октября 1917 года Царское Село стало местом вооружённого конфликта большевистских вооружённых формирований и казачьих войск под командованием генерала П. Н. Краснова, сохранявших верность Временному правительству. 12 ноября 1917 года, во время артиллерийского обстрела Царского Села большевиками, о. Иоанн с другими клириками собора участвовал в крестном ходе с особыми молитвами о "прекращении междоусобныя брани".
13 ноября 1917 года отряды большевиков вступили в Царское Село и священники, возглавлявшие крестный ход, были арестованы;
о. Иоанн был отведён на царскосельский аэродром и там расстрелян на глазах своего сына-гимназиста. По просьбе прихожан, 17 ноября того же года отец Иоанн был погребён в усыпальнице собора.
Первые "наказы" о закрытии храма были зарегистрированы в 1934 году. Требования появлялись до 1937 года. 10 июля 1937 года архитектурно-планировочный отдел Ленсовета предписал Детскосельскому райисполкому произвести позолоту глав собора, но в августе предписание было отменено.
01 июня 1938 года президиум Пушкинского райсовета возбудил перед президиумом Ленсовета ходатайство о закрытии собора и сносе "как не представляющего собой культурной ценности". Ходатайство было удовлетворено. По постановлению президиума Леноблисполкома от 11 июля 1938 года Екатерининский собор был закрыт. Организованная 24 октября Специальная комиссия после обследования здания предложила использовать здание под театр и кино, а подвальное помещение - как газоубежище.
В мае 1939 года собор был обнесен глухим дощатым забором. Рабочие сняли кровлю, церковная мебель, иконостасы и картины были вывезены. Иконы кололи топорами и сваливали в кучу, а затем сжигали в подвале, в храмовых печах.
10 июня 1939 года в 5 часов 30 минут утра собор святой Екатерины был взорван.
Практически сразу появляются проекты обустройства бывшей площади: "Предлагалось установить памятник А. С. Пушкину, бассейн с фонтанами и окантовкой цветами, детские игровые площадки. "создание большого зелёного массива, парково-архитектурного ансамбля, всего посвященного творчеству А. С. Пушкина, "его стихам, сказкам, поэмам, трагедиям и повестям".
"превратить площадь в "пантеон великих людей дореволюционной эпохи". Но планы осуществить не удалось.
К 1950 году гора остатков Екатерининского собора постепенно осела и превратилась в обычный городской сквер.
22 апреля 1960 года на месте собора был открыт памятник В. И. Ленину.
В связи с канонизацией Архиерейским Собором Русской православной церкви 04 декабря 1994 года протоиерея Иоанна Кочурова, 05 февраля 1995 года на бывшей Соборной площади, рядом с местом, где находился до своего разрушения Екатерининский собор, был воздвигнут семиметровый восьмиконечный деревянный крест.
В 2000 году главный архитектор ГМЗ "Царское Село" А. А. Кедринский выполнил эскизный проект реконструкции главной площади, предполагавший восстановление в два этапа Екатерининского собора.
03 ноября 2003 года на Соборной площади был установлен и освящен новый деревянный крест, изготовленный на Соловецких островах монахом Георгием, полностью вручную. Он был подарен Царскосельскому благочинию Межрегиональным благотворительным фондом "Возрождение памятников архитектуры русского Севера".
В ночь с 06 на 07 апреля 2004 года памятник В. И. Ленину был сброшен с пьедестала неизвестными лицами (с помощью мощной автомобильной лебёдки прикреплённой к дереву). В результате падения памятник разбился.
03 июня 2006 года экспедицией Института истории материальной культуры Российской Академии Наук были начаты масштабные археологические раскопки фундамента. 04 августа КГИОП поднял вопрос о возможном восстановлении храма, отметив необходимость проведения консервации обнаруженного фундамента и продолжения научно-изыскательских работ в архивах. 25 августа были завершены археологические раскопки фундамента собора, в процессе которых обнаружены также элементы инженерных коммуникаций, остатки архитектурных деталей и церковной утвари.
20 июля 2006 года был учрежден Благотворительный фонд "Воссоздание собора святой Екатерины в Царском Селе" Закладка храма произошла 07 декабря 2006 года. Перед будущим алтарём храма установлен памятный знак в виде камня, на котором выгравирована надпись о происшедшем событии: "На сем месте будет построен храм - памятник как дань глубокого почтения самоотверженному и величественному подвигу жителей Царского Села, в память о трагических днях 1917 года. (7 декабря 2006 года)"
13 февраля 2007 года Правительство Санкт-Петербурга подписало распоряжение о мерах по выполнению работ по сохранению собора святой Екатерины в Царском Селе.
04 августа 2009 года на здание храма была поднята центральная глава, а на следующий день - четыре малые.
07 декабря 2009 года в строящемся соборе была отслужена первая литургия, а также освящён новый звон из семи колоколов, являющийся копией утраченного. Колокола были воодружены на звонницу 11 февраля 2010 года.
27 июня 2010 года (в дни проведения торжеств, посвящённых 300-летию со дня основания Царского Села) Патриарх Кирилл, в сослужении митрополита Санкт-Петербургского и Ладожского Владимира (Котлярова), епископов Солнечногорского Сергия (Чашина), Петергофского Маркелла (Ветрова), Выборгского Назария (Лавриненко) и духовенства Санкт-Петербургских храмов, совершил чин великого освящения храма. Сейчас собор работает в штатном режиме.
