Дерев’яна церква у Чугуєві була побудована ще у першій половині XVII століття. Та коли у 1817 році Чугуїв став військовим поселенням, містечко почали активно перебудовувати відповідно до типових планів. В результаті було зведено нову церкву у класичному стилі, що становила єдиний ансамбль з Торговими рядами та будівлею Штабів військових поселень.
На жаль, за радянських часів багато елементів декору було втрачено, адже будівлю використовували як військовий склад. Зокрема, портики були перекриті цегляною кладкою, зник карниз та оздоблення вікон. Постраждав також інтер’єр собору.
Перші реставраційні роботи у соборі були проведені ще наприкінці 1960-х років. Тоді фахівцям вдалося частково відновити портики Свято-Покровського собору. Проте відновлювали споруду не для релігійних цілей, а для влаштування музею Іллі Рєпіна. У 2003 році споруду взагалі розділили на дві частини: одну передали єпархії, інша ж залишалася картинною галереєю. Остаточне відновлення роботи храму та передача православній церкві відбулися лише у 2010 році.