Sobór był tradycyjnym miejscem prywatnej modlitwy rodziny carskiej. W szczególności rolę taką spełniała dolna cerkiew, gdzie głęboko religijna caryca Aleksandra Fiodorowna miała nawet osobną kaplicę. W dolnej cerkwi zgromadzono relikwie związane z kanonizowanym kilka lat wcześniej św. Serafinem z Sarowa. Wstęp do świątyni mieli tylko Romanowowie oraz członkowie ich osobistej straży z żonami. Jedynie na większe święta rozdawane były imienne zaproszenia dla innych osób.
Po rewolucji październikowej sobór stał się zwykłą cerkwią parafialną. Budowla pozostawała czynna dla wiernych do 1934, gdy została im odebrana i zaadaptowana na cele świeckie. W górnej świątyni rozmieszczono salę kinową, w dolnej – kinowe archiwum. Wyposażenie obiektu było stopniowo rozkradane, częściowo trafiło do muzeów. Obiekt uległ poważnym zniszczeniom w czasie II wojny światowej (zniszczenie części ścian i kopuły), w kolejnych dziesięcioleciach był wykorzystywany jako magazyn. W latach 1985–1995 wyremontowany, od 1992 był ponownie użytkowany przez Rosyjski Kościół Prawosławny. Przez cztery pierwsze lata nabożeństwa odbywały się wyłącznie w cerkwi dolnej, od 1996 – także w górnej.