Nhà thờ trên quảng trường St Isaac được xây dựng theo lệnh của Sa hoàng Alexander I, để thay thế cho một công trình của kiến trúc sư Ý Antonio Rinaldi trước đó, và là nhà thờ thứ 4 liên tiếp đứng ở vị trí này.[1] Nhà thờ đầu tiên tại vị trí này được xây dựng năm 1710 nhưng bị cháy, nhà thờ thứ 2 khởi công năm 1717 dưới thời Peter Đại đế, nhưng hoàn thành vào năm 1727 khi sa hoàng này đã qua đời.[2]

Một ủy ban đặc biệt được chỉ định kiểm tra một vài thiết kế, trong đó có dự án của kiến ​​trúc sư người Pháp Auguste de Montferrand (1786–1858), người đã từng học tập tại xưởng của nhà thiết kế của Napoleon, Charles Percier. Thiết kế của Montferrand đã bị chỉ trích bởi một số thành viên của ủy ban vì bị cho là đơn điệu và nhàm chán với bốn cổng vào với 8 cột trụ giống nhau. Nó cũng đã bị chê rằng mặc dù kích thước khổng lồ, tòa nhà sẽ nhìn thấy mập lùn và không phải là rất ấn tượng. Các thành viên của ủy ban, trong đó bao gồm các kiến ​​trúc sư nổi tiếng của Nga, cũng đặc biệt quan tâm vì sự cần thiết phải xây dựng một tòa nhà lớn mới trên nền móng không an toàn cũ. Sa hoàng, người ủng hộ phong cách kiểu đế chế của kiến ​​trúc, đã phải can thiệp và giải quyết các tranh chấp và bênh vực Montferrand.

Nhà thờ xây dựng mất 40 năm, theo chỉ đạo của Montferrand, từ năm 1818 đến năm 1858.[1] Để đảm bảo việc xây dựng, nền móng của nhà thờ đã được tăng cường bằng cách đóng 25 000 cọc vào đầm lầy của Saint Petersburg. Phương pháp tiến bộ mới đã được đề xướng để xây dựng các cột khổng lồ của hàng hiên cổng vào. Chi phí xây dựng nhà thờ đã dội lên đáng kinh ngạc đến 1 000 000 rúp vàng.

Sau Cách mạng tháng 10 và dưới chính quyền Xô Viết, tòa nhà đã bị tước khỏi chức năng tôn giáo. Năm 1931, nhà thờ được chuyển thành Bảo tàng Lịch sử Tôn giáo và chủ nghĩa vô thần với ý nghĩa chống tôn giáo, tác phẩm điêu khắc chim bồ câu đã được gỡ bỏ, và thay thế bằng một con lắc Foucault.[1][3] Ngày 12 Tháng 4 năm 1931, các cuộc biểu diễn công khai đầu tiên của con lắc Foucault đã được tổ chức để hình dung lý thuyết Copernicus. Năm 1937, Bảo tàng được chuyển thành Bảo tàng của nhà thờ, và các bộ sưu tập cũ về lịch sử tôn giáo đã được chuyển giao cho Bảo tàng Lịch sử Tôn giáo (nằm trong Nhà thờ Kazan).[4]

Trong Thế chiến II, những mái vòm đã được sơn lại màu xám để tránh thu hút sự chú ý từ các máy bay địch. Trên đỉnh các mái vòm có đặt một giao điểm với các thành phần hình đa giác lồng vào nhau, với mục đích giúp tìm vị trí của pháo địch.

Với sự sụp đổ của Liên bang Xô Viết, bảo tàng đã được gỡ bỏ vào năm 1990 lần đầu có thánh lễ được tổ chức trở lại. Nhà thờ được tu bổ trong khoảng năm 1994-2003 và hoạt động thờ phượng thường xuyên đã được thực hành lại trong nhà thờ, nhưng chỉ ở bên nhà nguyện bên trái. Chỉ vào ngày lễ, phần chính của nhà thờ mới được sử dụng cho các dịch vụ thờ phụng trên.

Tính đến năm 2012, nhà thờ vẫn còn là một bảo tàng.