Собор Святой великомученицы Екатерины в Царском Селе заложен в 1835 году по повелению императора Николая I в качестве главного приходского храма города. Строительство велось по проекту и под наблюдением архитектора К.А.Тона, на средства Кабинета его императорского величества. Окончательно построен и освящен в ноябре 1840 года в присутствии императора и наследника престола Александра Николаевича (будущего Александра II). Представлял собой пятиглавый каменный храм в русско-византийском стиле с внутренней колокольней над входом в западной арке. Вместимость – до 1500 молящихся, отапливаемый. Три самых больших колокола для храма отлиты в 1838 году в Ярославле по повелению Николая I. Иконы главного иконостаса расписаны профессорами Академии Художеств Ф.П.Брюлловым, Ф.А.Бруни, А.Е.Егоровым и В.К.Сазоновым. Ф.П.Брюлловым также осуществлена роспись купола.

Соборный причт был переведен из приходской церкви Иконы Божией Матери «Знамение» (Знаменская церковь) и состоял из ключаря, 2-х священников, дьякона, дъячка, причетника и просвирни. Сама Знаменская церковь стала приписной к собору. Приход Екатерининского собора составляли все постоянные жители Царского Села.

После освящения собора главная городская площадь стала называться Соборной. В течение 1842 года площадь перед храмом благоустроена под руководством садового мастера Ф.Ф.Лямина: разбит сад, высажено 200 тополей, привезенных из Голландии, устроены дорожки. В 1851–1852 гг. на личные средства церковного старосты П.Ф.Сакулина в соборе устроены два боковых придела: правый – во имя святого благоверного великого князя Александра Невского, левый – святых равноапостольных царей Константина и Елены. Иконостасы в них выполнены по чертежам архитектора К.А.Тона.

В 1858 году высочайше утверждены добавочные штаты собора: протоиерей, 2 священника, дьякон, 4 причетника и просфорня. В 1862 году во время пожара в находившемся рядом деревянном Гостином дворе здание Екатерининского собора было повреждено огнем: треснул главный храмовый колокол, пострадали фасады и позолота глав. В 1865 году главы собора были закрашены кронгельмом (антикоррозийной краской для защиты металлоконструкций) с целью устранить проступившую ржавчину.

В 1874-1875 гг. снят и перелит главный соборный колокол. В 1875 году в штате собора сокращена одна причетническая должность пономаря. В 1876 году в юго-западной части Соборной площади, недалеко от главного входа в храм, по проекту архитектора А.Ф.Видова устроена временная деревянная колокольня. В 1889 году колокол подняли на прежнее место после ремонта арки. В 1890 году к 50-летнему юбилею собора в нем проведен капитальный ремонт.

В разное время к собору были приписаны следующие храмы:

В 1840–1847 гг. – приходская церковь Иконы Божией Матери «Знамение». Указом Синода от 16 августа 1847 г. передана в Придворное ведомство, ее приход стали составлять исключительно придворные служители царскосельских дворцов и Царскосельского дворцового правления.

В 1840–1860 гг. – церковь Казанской иконы Божией Матери при Царскосельском кладбище, построенная по повелению императрицы Екатерины II в 1785–1790 гг. В 1860 году получила самостоятельный причт.

С 1871 года – часовня во имя св. благоверного князя Александра Невского, устроенная в 1865 году в Гостином дворе.

В 1872–1877 гг. – церковь Рождества Богородицы при Царскосельской Николаевской мужской гимназии. На основании резолюции митрополита Новгородского, С.-Петербургского и Финляндского от 25 ноября 1877 г. стала самостоятельной, получив свой причт из священника и дьякона.

С 1892 года при соборе действовала церковно-приходская школа. С 1896 года располагалась в каменном 3-этажном церковном доме на углу Оранжерейной и Колпинской ул., приобретенном у М.В.Пазухиной. Содержалась за счет Царскосельского отделения Братства Пресвятой Богородицы. В начале XX века в школе бесплатно обучалось около 180 учеников.

Декретом СНК от 23 января 1918 г. «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» собор был лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации. Закрыт в 1938 году, в 1939 году – снесен.

Книги регистрации указов С.-Петербургской духовной консистории и предписаний благочинного причту собора (1846–1853; 1878–1902 гг.).

Метрические книги собора (1851–1874 гг.); клировые ведомости собора (1841–1844; 1847–1853; 1865–1873; 1885–1893; 1895–1896; 1900–1914 гг.); описи церковного имущества собора и кладбищенской церкви Казанской иконы Божией Матери в Царском Селе (1850 г.); книги прихода и расхода денежных сумм собора (1842–1865; 1877–1909 гг.).

Имеются: метрические книги приписной к собору церкви Иконы Божией Матери «Знамение» в Царском Селе (1805–1811; 1817–1844 гг.); метрические книги придворной церкви Воскресения Христова в Царском Селе (1813–1838 гг.); книга расхода денежных сумм церкви [Свт. Николая Чудотворца] лейб-гвардии 4-го стрелкового императорской фамилии полка в Царском Селе (1913–1914 гг.); клировые ведомости церквей Царскосельского уезда (1876; 1878; 1880; 1808–1909; 1915 гг.).