В сентябре 1888 года император Александр III вместе с августейшим семейством посещал Екатеринодар. Пробыв там несколько дней, они отправились в Новороссийск, путешествие чуть не закончилось трагедией - поезд потерпел крушение, и лишь по счастливой случайности члены царской семьи остались целы и невредимы. Спустя год в честь чудесного спасения в Екатеринодаре было решено построить пятикупольный храм с семью престолами, и освятить главный в честь Великомученицы Екатерины, а остальные - в честь святых покровителей членов августейшей семьи.
Проект собора был поручен архитектору Ивану Мальгербу. Место для строительства храма выбрали на Екатерининской площади, рядом со старой церковью святой Екатерины, которую позже перенесли в другое место. Закладка собора состоялась в 1900 году, однако строительство велось долгих четырнадцать лет - мешали материальные трудности и политические события.
В марте 1914 года главный престол храма был торжественно освящен. После революции его имущество под видом помощи голодающим Поволжья было разграблено, а храм уцелел лишь чудом - архитектору, возводившему здание, удалось убедить комиссию, планировавшую разрушить собор, в нецелесообразности - кирпичи скрепили особым раствором, и разобрать его не удалось.
Однако это не спасло храм от закрытия - до 1942 года здесь размещались склады. Впрочем, и в 1942 году, когда во время фашистской оккупации в соборе возобновились богослужения, здесь все ещё находились складские помещения. Лишь в 1944-м храм начал действовать полноценно, своё название сохранил только главный престол - Екатерининский, остальные были переименованы.
К празднованию 1000-летия Крещения Руси, в 1988 году, в соборе были проведены ремонтные работы, а в 2012 году реставрировался купол. Сейчас здесь проходят регулярные богослужения, работает воскресная школа. Собор является одной из главных достопримечательностей города.