Za razliku od Stare pravoslavne crkve, koja je građena početkom osmanske vladavine u Bosni, gradnja Saborne crkve započeta je u vrijeme kada se već nazirao kraj Otomanske imperije. Dozvolu za njenu gradnju izdao je sultan Abdul Aziz, koji je donirao i 556 dukata, pokušavajući na taj način demantirati sve one koji su Osmansko carstvo optuživali za vjersku netrpeljivost.
Kamen temeljac za gradnju crkve postavljen je 25. juna 1863. godine, a potpuno je dovršena 11 godina poslije – 1874. godine. Graditelj ovog lijepog zdanja bio je Andrija Damjanović iz Velesa (Makedonija), iz porodice uglednih graditelja Renzovski, koji su podizali i ukrašavali crkve širom Balkana – od Makedonije i Bugarske, do Turske i Bosne.
Zabilježena je anegdota o tome kako je graditelj Andrija pregovarao sa sarajevskom pravoslavnom crkvenom općinom o građenju nove crkve. Kada su mu općinari tražili da im pokaže neki plan ili crtež, Andrija je rekao da plana nema, nego da pogledaju crkve u Nišu ili Smederevu – takvu će graditi u Sarajevu, ali će biti još ljepša.
Prema kazivanju kvazi-historičara Mite Živkovića, sarajevski pravoslavci su ispočetka novu crkvu nazivali ukletom. Razlog je bio neispunjenje obećanja crkvenih predstavnika prema nekom majstoru-zidaru. Priča kaže kako nijedan majstor zbog visine nije htio raditi na gradnji tornja. Kada su napokon našli majstora koji je bio voljan preuzeti rizik rada na visini od 45 metara, on je postavio uslov da ga nakon smrti sahrane u dvorištu crkve. Već nakon nekoliko dana rada, majstor je pao sa skele, ali crkvene vlasti nisu ispunile svoje obećanje.
Gradnja crkve koštala je 38.185,18 dukata. Uz 556 dukata sultana Abdul Aziza, svojim donacijama izgradnju su pomogli i Praviteljstvo srpsko iz Beograda (500 dukata), srpski knez Mihailo Obrenović (150 dukata), te Jovo Marinović, predsjednik Srpskog savjeta u Beogradu (52 dukata). Novac za crkvu su prilagali i pravoslavci iz Beograda, Beča, Trsta, Dubrovnika, a ponajviše pravoslavni vjernici iz Sarajeva i ostatka BiH.
Godine 1872. u Rusiju su otišle poznate Sarajlije Savo Kosanović i trgovac Makso Despić i tamo su sakupili 1.870 dukata. Ikonostas, koji je bez ikona koštao preko 2.000 dukata, izradili su majstori iz Sergijevskog manastira kod Petrograda, a novac za njihovu izradu obezbijedili su članovi ruske carske familije i ruska aristokracija.
Osvećenje crkve, na Ilindan – 2. augusta 1872. godine, bilo je veliki događaj kojem su prisustvovale hiljade građana. Procesiju koja je išla od Stare pravoslavne do nove Saborne crkve osiguravala je osmanska vojska. Iako je tokom gradnje došlo do negodovanja muslimana, koji su se protivili tome da toranj crkve bude viši od minareta Begove džamije, svečanom otvorenju su pored državnih uglednika prisustvovali i mnogi građani muslimani, kao i katolici i Jevreji.
Ni danas se ne zna tačno da li je Begova džamija malo viša, ili su obje građevine visoke 45 metara.
Tokom Prvog i Drugog svjetskog rata Saborna crkva je bila značajno oštećena. U vrijeme opsade Sarajeva crkva nije pretrpila značajnija oštećenja, a u postratnom periodu zablistala je ljepša nego ikada.
