В 1761 году по распоряжению императрицы Елизаветы Петровны в г. Ямбурге начата постройка городского собора по проекту архитектора Ф.Б.Растрелли. Его предполагалось возвести взамен сгоревшей в том же году деревянной соборной церкви Св. Архангела Михаила, устроенной в 1703 году. Однако, после кончины императрицы строительные работы были остановлены на начальном этапе.

Возобновление работ последовало в 1764 году на основании указа императрицы Екатерины II. Новый проект каменного собора в стиле барокко разработал архитектор Антонио Ринальди. Собор заложен в 1766 году, строился на средства казны под руководством архитектора А.Мыльникова. Построен и освящен во имя святой великомученицы Екатерины в 1782 году. Пятиглавый с трехъярусной колокольней храм имел в плане форму равностороннего креста со скругленными концами, по сторонам которого расположены четыре башенки-главки на высоких круглых барабанах. Большинство икон иконостаса написано профессором Академии Художеств Г.И.Козловым. В 1848 году в соборе устроены печи и он сделан теплым. В 1866 году для размещения причта собору переданы два деревянных дома и флигель, принадлежавшие Ямбургскому духовному училищу.

Здание собора и принадлежащие ему дома ремонтировались в 1816, 1873–1874, 1876–1879, 1894–1895 гг. В 1882 году к 100-летию собора в нем произведен капитальный ремонт. На средства потомственного почетного гражданина А.П.Орлова художником П.П.Кохом написаны иконы четырех евангелистов. В 1912 году по проекту и под руководством архитектора Д.М.Резвого в храме вновь произведены ремонтные и реставрационные работы.

В феврале 1872 г. при соборе открыто церковно-приходское попечительство, на средства которого содержалась женская богадельня на 10 кроватей и выдавались пособия нуждающимся прихожанам. Приход храма включал в себя город Ямбург и ближайшие деревни: Жабино, Захонье, Большое и Малое Кленно, Кошкино, Большое и Малое Луцко, Порхово, Свейско. К храму были приписаны часовни: св. Фрола и Лавра в д. Жабино, в д. Большое Кленно, свт. Николая Чудотворца в д. Большое Луцко и Св. Троицы в д. Порхово.

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

Указы С.-Петербургской духовной консистории и предписания благочинного (1864–1914 гг.); журнал регистрации указов С.–Петербургской духовной консистории и предписаний благочинного (1858–1869 гг.).

Метрические книги (1800–1819; 1913–1918; 1922 гг.); исповедные росписи (1789; 1790; 1796–1815; 1817–1829; 1834–1845; 1848; 1850–1854; 1861; 1888 гг.); клировые ведомости (1857–1893; 1895–1896; 1898–1900; 1902; 1907; 1909–1912; 1914–1916; 1918 гг.); книги брачных обысков (1794–1795; 1797–1801; 1803–1804; 1807; 1838–1861; 1914–1918 гг.); брачные документы (1817–1822; 1827–1828; 1835–1840; 1859; 1865–1868; 1889 гг.).

Описи церковного имущества ([1808]; 1854; [1881]; 1888 гг.); акты обозрения собора благочинным (1888; 1899 гг.); планы церковной земли с указанием построек (1894 г.); чертежи хозяйственных построек (1890 г.); сметы, контракты, приходо-расходные и др. документы о проведении ремонтных работ в соборе и церковных домах (1816; 1873–1879; 1894–1895 гг.); приходо-расходные книги (1803–1918 гг.) и ведомости (1873–1879; 1896–1899; 1915 гг.); документы о деятельности церковно-приходского попечительства (1898–1905 гг.).