Новый храм в классическом стиле построили по проекту молодого инженера В. А. Рулёва при поддержке адмирала Лазарева. Возведение началось в 1840 году и завершилось через четыре года. Архитектурный облик церкви напоминает античный храм Гефеста в Афинах.

Собор окружён колоннадой из сарматского известняка, с фронтонами и скульптурами апостолов Петра и Павла (работа Ф. Пелличчио по образцам Торвальдсена). Позже они были вывезены как трофеи. Во время Первой обороны Севастополя храм серьёзно пострадал.

Его восстановили на средства купцов А. А. Максимова и Кундышева-Володина. В 1889 году он вновь был освящён. При нём действовала церковно-приходская школа. С 1931 года богослужения прекратились — здание занял городской архив. В войну собор почти не пострадал, а в послевоенные годы в нём размещались клуб, театр и Дом культуры — помещение перестроили, добавив этаж и лестницы.

Лишь в 2006 году, после долгих прошений, храм вернули православной общине. Сегодня собор утопает в зелени, скрыт от глаз прохожих, но по-прежнему хранит память о героической и духовной истории города. Перед входом установлен памятник Кириллу и Мефодию — «учителям словенским».