В 1849 году резиденция главы Католической Церкви на территории Российской империи по предложению императора Николая I была перенесена в Санкт-Петербург и разместилась в здании на набережной реки Фонтанки 118. Здание было куплено у наследников Гавриила Романовича Державина, замечательного русского поэта XVIII-XIX веков. 2 августа 1870 года на территории, примыкавшей к резиденции архиепископа, началось строительство собора, которому суждено было стать кафедральным.

Храм сооружался по проекту архитектора Василия Ивановича Собольщикова. После его смерти в 1872 году строительством руководил академик архитектуры Евграф Сергеевич Воротилов. Собор имел в плане форму латинского креста и был объединен единым входом со зданием епархиального управления. В 1876 году в собор были перенесены частицы мощей святых Апостола Фаддея, Григория Назианского, Флориана, Станислава - епископа Краковского, Казимира, Иоанна Кентского и Станислава Костки. Лепные работы в соборе производились по проекту архитектора Воротилова. Богослужения в храме посещали верующие католики, работавшие на предприятиях в районе Обводного канала и Московской и Нарвской частей, студенты близлежащих институтов и военнослужащие, католического вероисповедания, из расположенных вокруг казарм Измайловского, Семеновского и Егерского полков. В 1891 году храм был расширен, его вместимость была увеличена в два раза до 1500 человек. В 1906 году архитектором Львом Петровичем Шишко было внесено проектное предложение дальнейшего расширения храма и реконструкции главного входа. Но в то время осуществлению этого предложения помешал недостаток средств, а после революции  это  стало просто невозможным.

5 декабря 1922 года собор, несмотря на сопротивление прихожан, был закрыт и опечатан, а священники задержаны. Однако, через некоторое время, после долгой борьбы, церковь удалось отстоять, и она была вновь открыта 2 июня 1923 года.

Через несколько лет, в октябре 1929 года городскими властями было принято окончательное решение о закрытии храма, и церковь была закрыта в январе 1930 года.

Во время Великой Отечественной войны здание церкви сильно пострадало от артобстрелов и бомбежек. После войны в здании собора расположилось конструкторское бюро и институт, для нужд которых оно было разделено перекрытиями и многочисленными перегородками, были пробиты дополнительные окна. Следующий владелец здания - банк, пытаясь соорудить в нем стационарные сейфы-хранилища, внес свою лепту в нарушение внутреннего пространства собора.

В 1994 году был образован и зарегистрирован приход «Успения Пресвятой Девы Марии». С этого времени началось возрождение храма. В сентябре 1995 года Правительством Санкт-Петербурга здание церкви было возвращено верующим. Ремонтно-восстановительные работы были проведены в очень короткие сроки и 16 февраля 1997 года в храме возобновились богослужения. Через несколько месяцев в центральный алтарь были торжественно помещены частички мощей святых Апостолов Петра, Иоанна, Фаддея, Андрея и Павла, а так же святых Адальберта и Зенона. В настоящее время собор является действующим храмом Католической Церкви.