1 марта 1881 года на набережной Екатерининского канала в результате нападения террориста Гриневицкого был смертельно ранен император Александр II.
Уже 2 марта на чрезвычайном заседании Городская дума просила вступившего на трон императора Александра III «разрешить городскому общественному управлению возвести… на средства города часовню или памятник». Тот ответил: «Желательно было бы иметь церковь… а не часовню». Однако всё же было решено поставить временную часовню.
Разработать проект поручили архитектору Леонтию Бенуа. Работы велись быстро, так что 17 апреля 1881 года часовня была освящена, в ней стали проводить памятные панихиды. Думе это практически ничего не стоило: поставил часовню купец первой гильдии Громов, строительные работы оплатил купец Милитин, он же стал старостой. Эта часовня оставалась на набережной вплоть до начала строительства храма — до весны 1883 года, после чего была перенесена на Конюшенную площадь, где простояла ещё девять лет и была окончательно разобрана.
Торжественная закладка храма состоялась в октябре 1883 года. В комиссию по строительству храма, возглавляемую Великим князем Владимиром Александровичем, вошли архитекторы Д. И. Гримм, Р. А. Гёдике, Э. И. Жибер, Р. Б. Бернгард, которые во время возведения здания давали консультации и вносили коррективы в проект; большое участие в переработке проекта принял И. В. Штром, предложения которого существенно повлияли на композицию осуществлённого храма.
Мозаичные работы на десять лет задержали освящение, которое митрополит Антоний свершил 6 августа 1907 года (в день Преображения Господня, известный также как Второй Спас) в присутствии императора Николая II и иных членов императорского Дома. Всё строительство обошлось в 4,6 млн рублей.
27 апреля 1908 года митрополит Антоний освятил стоявшую рядом с храмом Иверскую часовню-ризницу, где были собраны иконы, поднесённые в память о кончине Александра II.
При строительстве храма были применены новые технологии строительства, здание храма было полностью электрифицировано. Храм освещали 1689 электроламп. В начале XX века территория вокруг Спаса-на-Крови была реконструирована.
Собор Воскресения Христова был одним из двух, наряду с Исаакиевским собором, храмов Санкт-Петербурга, находившимся на государственном содержании. Собор не был приходским; он находился в ведении Министерства внутренних дел и не был рассчитан на массовые посещения; вход осуществлялся по пропускам. В соборе совершали отдельные службы, посвящённые памяти Александра II и ежедневно произносили проповеди.
6 сентября 1907 года резолюцией митрополита Санкт-Петербургского и Ладожского Антония (№ 8039) настоятелем собора был назначен профессор Пётр Лепорский, который был вскоре рукоположён во пресвитера (протоиерей с 14 октября 1907 года).
С 1909 года клириком, а затем (с 9 августа 1923 года) настоятелем храма был протоиерей профессор Василий Верюжский, ставший в конце 1927 года одним из активистов иосифлянского движения в Ленинграде.
В 1917 году прекратилось поступление казённых денежных средств на содержание храма, в связи с чем Пётр Лепорский обратился к жителям Петрограда со следующими словами: «Храм Воскресения на крови лишился средств, необходимых для обеспечения в нём богослужений. Причт храма, сооружённого на общие народные средства, решил обратиться к хозяину храма — народу с приглашением объединиться вокруг храма и по мере сил своих и усердия разделить заботу о поддержании в нём благолепного богослужения. Желающие записаться в число прихожан храма благоволят обращаться к отцу настоятелю протоиерею П. Лепорскому (Невский, 163) или в храме на свечную выручку, и там получат необходимые бланки для заявлений».
В конце 1919 года от отдела юстиции Петросовета поступило распоряжение о формировании при храме Воскресения Христова «двадцатки», то есть прихода. В ответ 2 декабря 1919 года протоиерей Петр Лепорский написал заявление, в котором возражал против такого решения городских властей, «так как храм никогда не был приходским», и, кроме того, «состоит в ведении Наркомата имуществ». Однако 13 декабря 1919 года коллегия по регистрации и охране памятников искусства и старины и отдела имуществ дала разрешение передачи храма «двадцатке», что и было совершено 11 января 1920 года.
С июля 1922 года до 5 июля 1923 года храм принадлежал «Петроградской автокефалии» под управлением епископа Петергофского Николая (Ярушевича), после чего до 9 августа того же года был обновленческим.
С августа 1923 года, после перехода Казанского и Исаакиевского соборов в ведение обновленцев, храм стал кафедральным собором «староцерковной» («тихоновской») Петроградской епархии.
С конца 1927 года и до закрытия храм был центром иосифлянства в Ленинграде — правого течения в Русской церкви, возникшего как оппозиция заместителю Патриаршего Местоблюстителя митрополиту Сергию после издания им «Декларации» о безоговорочной лояльности «нашему Правительству» (коммунистическому режиму).
30 октября 1930 года президиум ВЦИК постановил закрыть храм.
В ноябре 1931 года Областная комиссия по вопросам культов вынесла решение о целесообразности разборки Спаса на Крови, но решение данного вопроса было перенесено на неопределенный срок. В 1938 году вопрос был поставлен снова и был положительно решён, но с началом Великой Отечественной войны перед руководством города встали совсем другие задачи. В годы блокады в соборе размещали морг, сюда свозили погибших ленинградцев. После войны храм арендовал Малый оперный театр и устроил в нём склад декораций.
В 1961 году в центральном куполе храма был обнаружен немецкий фугасный снаряд. Вероятно, он на излёте пробил свод купола и застрял в перекрытии свода. Никем не замеченный, фугас пролежал в стропилах 18 лет и был случайно обнаружен верхолазами научно-производственных реставрационных мастерских. При осмотре оказалось, что это 240-миллиметровый фугасный снаряд массой около 150 кг. Работы по его обезвреживанию начались под руководством бывшего пиротехника В. И. Демидова утром 28 октября 1961 года, их проводили шесть человек: верхолазы Евгений Касьянов, Вячеслав Коробков, Владимир Майоров, Александр Мацкевич, Владимир Смирнов и бывший сапёр Валентин Николаев. Это была уникальная операция, потребовавшая от её участников не только мастерства, но и незаурядного самообладания и мужества. При помощи лебёдки снаряд был извлечён, вывезен из города и уничтожен в районе Пулковских высот.
В 1968 году собор был взят под охрану Государственной инспекцией по охране памятников при Главном архитектурно-планировочном управлении, а 20 июля 1970 года было принято решение об организации филиала музея «Исаакиевский собор» в здании бывшего храма Спаса на Крови. Передача храма-памятника на баланс музея состоялась 12 апреля 1971 года. Большую роль в этом событии сыграл директор музея «Исаакиевский собор» Георгий Бутиков. К этому времени собор находился в аварийном состоянии и требовал срочной реставрации.
В 1970-х были выполнены инженерные и общестроительные работы, проведена большая работа по подготовке к реставрации внутреннего убранства. Непосредственно реставрация самого храма началась в начале 80-х годов, первый этап которой закончился в 1997 году.
19 августа 1997 года, ровно через 90 лет после освящения, музей-памятник «Спас на Крови» открылся для посетителей.
23 мая 2004 года митрополитом Санкт-Петербургским Владимиром в соборе была отслужена первая после более чем 70-летнего перерыва литургия.
21 января 2014 года зарегистрирован приход храма Воскресения Христова (Спас на крови).
