W 1930 sobór został zamknięty i zaadaptowany na zwierzyniec, a następnie magazyn. Całe jego wyposażenie uległo zniszczeniu. W 1942 rozebrano dwie górne kondygnacje dzwonnicy świątyni, by nie mogła ona posłużyć atakującej armii niemieckiej jako punkt orientacyjny. W okresie, gdy Rostów znajdował się pod niemiecką okupacją, cerkiew została ponownie otwarta dla celów liturgicznych i uporządkowana. Iwan Wołkow dokonał restauracji namalowanych przez siebie kilkanaście lat wcześniej fresków. Po II wojnie światowej obiekt sakralny pozostał czynny. W latach 50. XX wieku do świątyni wstawiono nowe ikonostasy zaprojektowane przez D. Eberga, zaś w latach 1991–1999 przywrócono pierwotne rozmiary i wygląd dzwonnicy. W 1999 sobór odwiedził, święcąc przy tej okazji dzwonnicę, patriarcha moskiewski i całej Rusi Aleksy II. W 1996 na placu przed soborem ustawiono pomnik św. Dymitra z Rostowa.
Architektura Sobór został wzniesiony w stylu bizantyjsko-rosyjskim według projektu Konstantina Thona. Bezpośrednim wzorem dla świątyni był wojskowy sobór Wprowadzenia Matki Bożej do Świątyni w Petersburgu, który z kolei oparto na projekcie moskiewskiego soboru Chrystusa Zbawiciela. Pierwotny plan został zmodyfikowany przez A. Kutiepowa w celu obniżenia kosztów budowy cerkwi.