Решение о строительстве собора было принято 27 февраля 1850 года в связи с созданием Алагирского серебряно-цинкового завода на базе Садонского месторождения цветных металлов. Вокруг завода возник посёлок, который получил название Алагир.

- 8 ноября 1851 года был заложен первый камень в основание собора. Проект разработал известный архитектор и художник князь Григорий Гагарин. Храм построен в неовизантийском стиле из розовато-серого туфа, привезённого из Греции, и строился с участием греческих мастеров.

- Собор задумывался не только как культовое, но и как оборонительное сооружение: его окружает каменная ограда с восьмиметровыми башнями и бойницами.

- Торжественное освящение собора состоялось 22 октября 1853 года.

- В 1888–1890 годах внутреннюю роспись стен и потолков заново выполнил осетинский поэт и художник Коста Хетагуров. Его участие в оформлении храма считается важнейшим вкладом в культурное наследие Осетии. В частности, в медальонах на сводах собора изображена святая Ольга с чертами сестры Коста — Ольги, в традиционном осетинском платке.

- 19 сентября 1927 года собор был закрыт советскими властями, а с 1931 по 1989 год в его здании размещался Алагирский краеведческий музей.

- Храм был спасён от разрушения благодаря просветителю и общественному деятелю Бабу Зангиеву, который добился его сохранения как музейного филиала.

- В 1989 году собор был возвращён Русской православной церкви, и 29 апреля того же года состоялось первое богослужение после долгого перерыва.

- В 1999 году началась реставрация: обновили росписи, полностью заменили кровлю.