Говорят, что когда Петр I был в Астрахани, ему очень понравился Успенский собор. Но, построить похожий храм в Петербурге смогли только при его дочери, Елизавете Петровне. Место для храма выбрали на бывшем Морском полковом дворе, он стал главным флотским храмом России. Нижняя церковь освящена в 1760 году в честь Николая Чудотворца.
Храм в пышном стиле барокко создал ученик Ф. Растрелли, архитектор С.И. Чевакинский. Двухэтажный собор представляет собой в плане равносторонний крест, окна и стены украшены лепниной, орнаментами и гирляндами. Углы поддерживают триады колонн, праздничный голубой цвет контрастирует с золотом куполов. Под окнами сделаны балконы с коваными решетками.
После освящения верхней церкви в 1763 году, по указанию Екатерины II храм стали называть собором и в нем отмечали все победы русского флота. Храм не закрывался даже в советский период, духовная жизнь собора продолжается и сегодня. В 2000 году на первом ярусе колокольни была освящена часовня, в храме установлены памятные доски погибшим морякам.
Колокольня построена в стороне от собора архитектором С.И. Чевакинским. Когда Крюков канал продлили до Фонтанки, колокольня оказалась на берегу. В ней четыре яруса, нижние обрамлены колоннами, третий завершается покатой крышей. Выше установлена изящная башенка с часами, а над ней - тонкий шпиль. Колокола изготавливал тульский мастер С.Г. Мозжухин.