История Ростовского кафедрального собора ведет свое начало от крепости Димитрия Ростовского, учрежденной в 1761 году на южных границах России. Была построена церкви и часовни, которая была освящена в 1761 году. Вскоре эта часовня становится храмом. В 1781 году деревянный храм был разобран и перенесен на торговую площадь города, то есть на его теперешнее место. Простоял он недолго — чуть более 10 лет, и сгорел при пожаре. В 1795 году на месте сгоревшего храма отстроен новый - каменный, с деревянными куполами.
Ростовский кафедральный собор был построен в 1854-1860 годах по проекту академика архитектуры К. А. Тон на личные деньги двух ростовских купца С. Кошкин и Ф. Нефедов
В 1937 году собор был закрыт и на его территории разместился зоопарк. Затем здание храма использовалось под склады и зернохранилища.
Во время войны в 1942 году, при наступлении немецких войск, было принято решение о взрыве колокольни. Но успели взорвать только два верхних яруса.
Снова собор был открыт в 1942 году, в условиях немецкой оккупации; прихожане сами принесли всё необходимое для богослужения: церковную утварь, иконы.
В конце 1940-х годов шли восстановительные работы, к которым был привлечён ростовский архитектор Л. Ф. Эберг.
В 1950 году в соборе был произведён ремонт и восстановлены росписи, в 1988 году проведена реконструкция внутреннего убранства храма.
В 1999 году, к 250-летию города Ростова, восстановлена колокольня в её первоначальном виде.
Самая грандиозная реставрация собора была начата в 2011 году. В результате масштабных работ, продолжавшихся семь лет, на основе архивных материалов воссозданы в мельчайших деталях соборные росписи, кресты, 15 колоколов.