Przygotowania do budowy nowego soboru katedralnego w Tobolsku trwały trzy lata, w tym czasie gromadzono materiał budowlany i sprowadzano z Moskwy niezbędne elementy wyposażenia. Ceremonia położenia kamienia węgielnego miała miejsce w 1681 z udziałem metropolity tobolskiego i syberyjskiego Pawła, jednak prace budowlane de facto rozpoczęły się dopiero dwa lata później, gdy do Tobolska przybyła grupa budowniczych z Wielkiego Ustiuga na czele z Gierasimem Szarypinem i Ganką Tiutinem. Świątynia została oddana do użytku w październiku 1686. Do końca XVII w. przy soborze wzniesiono także dzwonnicę. W 1704 do głównej bryły budynku dostawiono kaplicę Świętych Antoniego i Teodozjusza Pieczerskich. W 1721 sobór ponownie został uszkodzony przez pożar, który strawił pięć cebulastych kopuł wieńczących pierwotnie całą budowlę. Z inicjatywy metropolity tobolskiego Filoteusza, pochodzącego z Ukrainy Naddnieprzańskiej, zostały one zastąpione przez kopuły o kształcie typowym dla sakralnego budownictwa baroku kozackiego (ukraińskiego). W 1751 kaplica z 1704 została powiększona i poświęcona ponownie, przyjmując za patrona św. Jana Chryzostoma. W ostatniej dekadzie XVIII stulecia zawaliła się licząca sto lat dzwonnica, którą zastąpiono nową.