Храм был возведён по указу императора Александра III, как православный храм в память того, что что на этом месте 1 марта 1881 года в результате нападения террориста-народовольца Граневицкого был смертельно ранен император Александр II. Строительство памятника-храма нашло отклик по всей России, поэтому пожертвования на строительство поступали отовсюду. Храм возводился почти 25 лет, в период с 1883 по 1907 г.г. по общему проекту архитектора Альфреда Парланда и архимандрита Игнатия. В этом проекте, строящийся храм, по его задуманному «русскому стилю» имел много общих черт с таким памятником русской архитектуры как, Храм Василия Блаженного на Красной площади в Москве. Требование того, чтобы строящийся храм имел черты русской архитектуры (которые были у московских и ярославских церквей 17 века) исходило от императора Александра III, проводившего несколько конкурсов на составление проекта строительства храма. После торжественной закладки храма в 1883 году была создана комиссия по его строительству, возглавляемая сыном убитого императора — Великим князем Владимиром Александровичем. Туда же вошли такие архитектурные мыслители как: Эрнест Иванович Жибер, Иван Васильевич Штром, Давид Иванович Гримм, Рудольф Богданович Бернгард и Роберт Андреевич Гёдике. При строительстве храма были применены новые технологии строительства, здание храма было полностью электрифицировано и его освещали 1689 электроламп.
Собор не стал приходским, а находился на государственном содержании (также как и Исаакиевский Собор). Первым настоятелем собора был назначен профессор, русский духовный писатель, протоиерей Пётр Лепорский. После революции 1917 года финансирование храма прекратилось, поэтому Петр Лепорский обратился с призывом к гражданам помочь храму.
В 1931, 1938 г.г. Областной комиссией по вопросам культов выносилось решение о целесообразности разборки Спаса на Крови, но с началом Великой Отечественной войны перед руководством Ленинграда встали совсем другие задачи.
В годы блокады в собор свозили погибших ленинградцев, здесь размещали морг… После войны в храме устроили склад декораций Малого оперного театра. В 1961 году в центральном куполе храма был обнаружен немецкий фугасный снаряд, который на излёте пробил свод купола и застрял в перекрытии свода. Никем не замеченный, фугас, массой 150 кг пролежал в стропилах 18 лет. В 1968 году собор был взят под охрану Государственной инспекцией по охране памятников при Главном архитектурно-планировочном управлении, а спустя 4 года были выполнены инженерные и общестроительные работы, проведена большая работа по подготовке к реставрации внутреннего убранства. И 19 августа 1997 года, ровно через 90 лет после освящения, «Спас на Крови» открылся для посетителей.
Собор является образцом позднего этапа эволюции русского стиля, например, в основании восьмигранного шатра на его стене имеются 8 продолговатых окон с наличниками в форме кокошников. В основе композиции храма компактный четверик, который увенчан пятиглавием, причём место центральной главы занимает шатёр высотой 81 метр.
С внешней стороны на храме сделаны надписи, где подчёркиваются достижения России в период правления Александра II.
Если наружной отделке храма использован гранит, кирпич, мрамор, эмали, позолоченная медь и мозаика, то внутри храм представляет собой настоящий музей мозаики, площадь которой составляет 7 тыс.м2. Крупнейшая в Европе мозаичная экспозиция создавалась в мастерской Владимира Александровича Фролова по эскизам более 30 художников, среди которых были такие, как Нестеров, Васнецов, Рябушкин, Беляев.