В 1731 году в Санкт-Петербурге для рабочих и мастеровых Артиллерийской слободы и Литейного двора, где производили орудия для русской армии и флота, устроена и освящена небольшая деревянная церковь во имя Преподобного Сергия Радонежского. В 1738 году она сгорела, но уже в следующем году на том же месте построена временная деревянная церковь по проекту архитектора И. Шумахера. В 1743 году по повелению императрицы Елизаветы Петровны на том же месте заложен каменный храм по проекту того же архитектора, который был построен и освящен в 1746 году.

В 1796 году заложен новый каменный храм (взамен прежнего обветшавшего) по проекту архитектора Ф.И. Демерцова; строительство велось на средства Артиллерийского ведомства. Боковые приделы освящены: правый (южный) – во имя Свт. Николая Чудотворца освящен в октябре 1798 года; левый (северный) – во имя Св. архистратига Михаила освящен в ноябре 1798 года. Постройка храма окончена в 1800 году. В том же году главный придел освящен во имя Св. преподобного Сергия Радонежского. Храм представлял собой прямоугольное в плане однокупольное здание. Рассчитан на 2000 человек. С трех сторон его окружали портики с ионическими колоннами на гранитном основании. Купол опирался на барабан с 12 окнами. Над западным входом устроена четырехугольная колокольня.

В 1803 году храм получил статус собора и стал именоваться собором Преподобного Сергия Радонежского всей артиллерии или, сокращенно – Сергиевским всей артиллерии собором. До 1832 года состоял в Епархиальном ведомстве. В 1832 году по высочайшему повелению собор передан в ведение обер-священника Главного штаба е.и.в. С 1890 года находился в ведении протопресвитера военного и морского духовенства. Кроме военного (для чинов Артиллерийского ведомства) имел и гражданский приход.

В 1815 году старые иконы в приделах были заменены на новые и расписаны своды; в 1860-х гг. академик Н.А. Зауервейд написал в парусах изображения евангелистов, а на стенах – две картины из жизни преподобного Сергия. При храме имелись две часовни: первую построили в 1877 году, вторую (в память о спасении царской семьи при железнодорожной катастрофе в Борках) – в 1889 году по проекту архитектора В.И. Серкова. Образа написал П.П. Заболотский. В 1914-1915 годах собор расширен и частично перестроен по проекту архитектора Л.Н. Бенуа. В 1915 году рядом с храмом построена часовня-усыпальница для павших офицеров-артиллеристов.

В 1869 году по инициативе кн. Е.Э. Трубецкой и ген.-майора А.Г. Лошкарева при соборе учреждено приходское Сергиевское братство, содержавшее богадельню, приют, дом трудолюбия, столовую для бедных и школу. С 1886 года братство состояло под покровительством вел. кн. Сергея Александровича. В 1891 году в принадлежавшем братству здании по Фурштадтской ул., 19 освящена домовая церковь во имя Воскресения Христова и Преподобного Сергия Радонежского.

В 1809–1823 гг. настоятелем Сергиевского собора являлся протоиерей Д.В. Малиновский, директор Библейского общества и духовный писатель, в 1849–1870 гг. – протоиерей Н.М. Орлов, популярный в народе проповедник. С 1879 года впервые в стране протоиреем Д.И. Никитиным в соборе начались проводиться духовные беседы, а десять лет спустя здесь образовался первый церковно-народный хор. В 1892–1932 настоятелем храма был И.В. Морев, редактор «Вестника военного и морского духовенства».

Декретом СНК от 23 января 1918 года «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» собор лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации. Закрыт в 1932 году, утрачен.

Высочайшие манифесты и указы (1731–1775; 1876–1880 гг.); указы С.-Петербургского духовного правления (1731–1740 гг.), С.-Петербургской домовой архиерейской конторы (1742–1744 гг.); С.-Петербургской духовной консистории (1744–1777; 1820–1849; 1876–1883; 1893–1919 гг.), канцелярии Главной артиллерии и фортификации (1743–1775 гг.); предписания благочинного гвардейского духовенства, канцелярии Артиллерийского департамента Военного министерства, главного священника Штаба Гвардейского и Гренадерского корпусов (1798; 1810; 1827–1849; 1857–1883; 1900–1919 гг.); рапорты духовенства собора (1746–1756; 1770–1820; 1836–1849; 1912–1915 гг.).

Метрические книги (1742–1799; 1803–1825; 1916–1917 гг.); исповедные росписи (1745–1825 гг.); ведомости о штатных и заштатных священноцерковнослужителях и членах их семей (1808; 1822 гг.); клировая ведомость (1855 г.); книги венечных сборов (1739–1764 гг.); книги брачных обысков и брачные документы к ним (1765–1831 гг.).

Описи церковного имущества (1748; 1763; 1808; [1815]гг.); переписка о сборе пожертвований (1901–1903; 1911–1918 гг.); книги прихода и расхода денежных сумм (1739–1748; 1752–1779; 1804–1832 гг.).