Autorem projektu świątyni został architekt Iwan Malgerb. W 1899 jego plan został zatwierdzony przez Świątobliwy Synod Rządzący. 23 kwietnia 1900 z błogosławieństwa arcybiskupa stawropolskiego i jekatierinodarskiego Agatodora położony został kamień węgielny. Już dwa lata później brak środków, a następnie wydarzenia rewolucji 1905 roku spowolniły prace. Dopiero w 1911 na kopule niedokończonej budowli zamontowany został krzyż, zaś całość prac ukończono w 1914. Budowa obiektu, największej świątyni prawosławnej w obwodzie wojska dońskiego (przeznaczonej dla 4 tys. osób), kosztowała 300 tys. rubli bez uwzględnienia kosztów dekoracji wewnętrznej – fresków I. Iżakiewicza, miejscowego malarza religijnego. 23 marca 1914 gotowy sobór został poświęcony.
W 1922 sobór św. Katarzyny przeszedł w ręce Żywej Cerkwi. W czasie akcji konfiskaty kosztowności cerkiewnych ze świątyni zarekwirowany został szereg cennych przedmiotów. W latach 30. XX wieku władze stalinowskie zamierzały wysadzić sobór w powietrze, ostatecznie jednak z planów tych zrezygnowano z uwagi na rozmiary soboru – jego zniszczenie nieuchronnie uszkodziłoby sąsiednie budynki mieszkalneПосле Октябрьской революции. Obiekt przestał jednak pełnić funkcje sakralne. Został zaadaptowany na magazyn.