Покровский собор строился с 1891 по 1905 годы по проекту архитектора В.А. Фельдмана. Сооружение и архитектура здания отвечают культу православной церкви. Здание собора типа базилики представляет собой пятикупольный бесстолпный храм. Над главным куполом — стрельчатый свод в окружении четырех двенадцатигранных башенок.
В западной части — колокольня, которая не отделена от собора. Ее соединяет с храмом продолжение центрального объема, вытянутого перпендикулярно улице. Башенки и колокольня имеют шатровое покрытие, увенчаны маковками луковичной формы. С севера и юга имелось два придела (южный придел не сохранился, начал восстанавливаться в 1996 году). К западной части примыкает трапезная, имеющая внутри два ряда столбов и лестницу, ведущую на хоры.
Вход в трапезную шел через имеющее вид закрытой галереи крыльцо с каменной лестницей. Здание украшено рядами полукруглых кокошников, карнизы подчеркнуты лепными фризами. Собор построен из тесаного инкерманского и крымбальского камня. Кровля куполов выполнена из оцинкованной штучной черепицы, остальная — покрыта оцинкованной сталью. Высота здания - около 37 м, колокольня на 10 м ниже.
Внутри собора было два храма. Верхняя церковь — Покрова Пресвятья Богородицы, в нижнем же, подвальном помещении, располагался Софийский храм. Там были склепы, точное расположение которых неизвестно.
В мае 1917 года в склепах были помещены гробы с останками революционеров П.П. Шмидта, С.П. Частника, И.А. Гладкова, Н.Г. Антоненко, привезенные в Севастополь с о.Березань. В ноябре 1923 года их перезахоронили на Кладбище Коммунаров.
После 1917 года в соборе действовало православное религиозное общество, велась церковная служба.
В годы Великой Отечественной войны здание сильно пострадало, полностью был разрушен южный придел (правое крыло здания).
После войны здание было восстановлено, церковная служба велась до начала 1959 года.
С 1959 по 1969 годы в нем были размещены городской архив и спортивный зал. С 1969 года здание было полностью передано архиву.
В 1992 г. северный придел собора был передан верующим и освящен 8 апреля во имя святого великомученника Пантелеймона. В нем стала постоянно вестись церковная служба. Полностью здание собора было освобождено архивом и передано церкви в начале 1994 года.
В начале 1994 г. верующим было отдано все здание. Купола и кресты покрыли сусальным золотом, в восточной части собора на внешней стене здания выполнили из мозаики икону Покрова Пресвятой Божией Матери - главная достопримечательность собора.
