Як свідчать матеріали Ізмаїльського архіву, спорудження Свято-Покровського собору тривало десять років – з 1821-го по 1831 рр. Будувався він на гроші парафіян і пожертвування купців. Певну суму виділила скарбниця. Внесли свою лепту в будівництво й російські імператори. Олександр Перший пожертвував на це 12 тисяч рублів, а Микола Перший надав частину гармат, захоплених у російсько-турецькій війні 1828-1829 рр., з яких були відлиті дзвони.
Собор споруджений у стилі пізнього провінційного російського класицизму (так званого ампіру). У плані він хрестоподібний і відповідає духові візантійської архітектури. Спочатку його купол був позолочений.
Численні архівні джерела та церковна література оминають питання про авторство. Вважають, що творцем собору був Авраам Іванович Мельников, ректор академії мистецтв, активний діяч будівельного комітету, який багато та плідно працював на півдні України та в Молдові. Але інша група мистецтвознавців вважає, що це був архітектор Ф.К. Боффо, який поставив доричну колону на місці Кагульської битви 1770 року та побудував Потьомкінські сходи в Одесі.
У 1848 році на кошти ізмаїльського купця Петра Сорокалєтова до Покровського собору була добудована дзвіниця. Вважають, що автором цієї прибудови є одеський архітектор І.С. Козлов.
У дзвіниці в другій половині XIX століття було встановлено годинник. Він і понині відбиває точний час.
У матеріалах Ізмаїльського архіву є посилання на той факт, що в 80-ті роки минулого століття майстер К. Білан, який працював у міськпобуткомбінаті, обслуговував цей годинник і робив необхідну профілактику.
Тривалий час Покровський собор існував без колонади. Його оточували міський парк, комерційне казино, грецький бульвар, жіноча гімназія, круглий парк (зараз це сквер за собором).
У 30-х роках ХХ століття відбулися останні зміни. У 1937 році румунська влада вирішила увічнити пам'ять короля Фердинанда Першого. Із цією метою розчистили парк навколо собору, прибрали з нього господарські будівлі, прибудували до собору колонаду й на тому місці, де зараз пам'ятник О.В. Суворову, встановили фігуру Фердинанда. В 1940 році пам'ятник був демонтований.
У 2004-2006 роках були завершені семирічні реставраційні роботи з облицювання, на покрівлі, куполах і купольних хрестах, фасадах, фундаменті, колонаді собору, у його притворі та верхньому храмі святителя Миколая. Така об'ємна робота виконана вперше, бо державою було подано матеріальну допомогу.
Реставрація розписів храму було виконано під керівництвом і з особистою участю художника Віктора Васильовича Коренька, члена Національної спілки художників України. Реставрацію живопису «Таємної Вечері» виконав відомий художник, член Національної спілки художників України, голова Спілки художників Ізмаїла, старший викладач кафедри образотворчих мистецтв ІДГУ Іван Іванович Шишман.
