Постройка храма началась в 1814 году по проекту архитектора, уроженца Арзамаса М.П. Коринфского — выдающегося мастера позднего классицизма. Строительство продолжалось 28 лет. Отделочные работы и роспись длились 21 год. Собор расписан учениками Арзамасской школы живописи А.В. Ступина Осипом Семеновичем Серебряковым и его сыном Александром. Величественные иконостасы резной работы выполнены братьями Василием и Климом Ломакиными.
Главный престол в честь Воскресения Христова был освящен в 1840 году. Остальные приделы освящались последовательно в 1832, 1833, 1834 и 1842 годах.
В 1932 году собор был закрыт и превращен в музей атеизма. Как ни парадоксально, но благодаря музею сохранились первозданный вид и уникальное внутреннее убранство собора, а также многие чтимые святыни Арзамаса, которые свозились сюда из уничтожавшихся храмов.
В 1944 году, во время Великой Отечественной войны, по многочисленным просьбам верующих и непрестанным ходатайствам перед представителями власти предстоятеля Русской Православной Церкви, уроженца Арзамаса, Святейшего Патриарха Сергия (Страгородского) собор был возвращен Нижегородской епархии, и в нем возобновилась литургическая жизнь.
За всю историю собора в нем неоднократно выполнялись различные ремонтно-восстановительные работы. Но только в 2021 году началось полномасштабное возрождение собора, первое за свою более чем столетнюю историю: в таких объемах этот храм еще не реставрировали. Реставрация, проведенная по программе паломническо-туристического кластера «Арзамас – Дивеево – Саров», коснулась каждого уголка храма: от фасадов и кровли до икон и исторического пола, обновлено почти 7 000 квадратных метров живописи в интерьерах. В ходе работ установлено отопление: собор всегда был холодным – теперь богослужения в храме можно совершать всесезонно, не только в теплое время года. В 2023 году обновленный храм освятил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл.