Александро-Невский собор строился в 1820–1823 годах по проекту известного русского архитектора Андреяна Дмитриевича Захарова (1761–1811), уроженца Санкт-Петербурга, среди наиболее известных работ которого — масштабная перестройка здания Главного адмиралтейства в Санкт-Петербурге в первой четверти XIX века. Образцом для Александро-Невского собора, возведением которого руководил архитектор Семён Емельянович Дудин (1779–1825), послужил Андреевский Собор в Кронштадте, до наших дней не сохранившийся. Храм возводился на личные средства императора Александра I. Правый придел был освящен во имя Св. великомученицы Екатерины, левый — во имя Казанской иконы Божией Матери.

Архитектурный облик собора отмечен типичными чертами классического стиля. Его отличают строгие пропорции основных объёмов, простота и ясность линий. Здание окружено восемнадцатью колоннами. Александро-Невский собор в своё время служил градостроительным, идеологическим и даже астрономическим центром Ижевска — колокольню собора избрали одним из 52 астрономических пунктов Вятской губернии.

В марте 1929 года собор был закрыт, а после перестройки здания, в ходе которой были сняты колокола и купол, в нём открылся кинотеатр «Колосс». В 1990 году здание собора вернули церкви, начались реставрационные работы. Освящение собора состоялось в 1994 году. В 2005 году в ограде собора был перезахоронен прах основателя Ижевского оружейного завода — Андрея Федоровича Дерябина (1770–1820).