В 1817 году знаменитая на всю Россию Макарьевская ярмарка из-под стен Макарьевского Желтоводского монастыря была переведена в Нижний Новгород. На территории ярмарки был построен Спасский собор по проекту Огюста Монферрана, но одного храма оказалось мало. Было принято решение о возведении еще одной церкви для Нижегородской Ярмарки. В 1856 году купечество обратилось с ходатайством о постройке нового собора к нижегородскому епископу Антонию, он же, в свою очередь, — к губернатору Александру Николаевичу Муравьеву, который дал делу надлежащий ход в 1858 году. В этом же году Нижний Новгород посетили император Александр II с женой и дочерью. Купечество в память об этом посещении решило соорудить храм с тремя престолами в честь небесных покровителей августейшей семьи: князя Александра Невского, равноапостольной Марии Магдалины и святителя Николая. Были приглашены архитекторы Владимир Иванович Даль и Роберт Яковлевич Килевейн. Начался сбор средств на строительство храма. Церковь решено было возвести на Стрелице — месте слияния Оки и Волги, которое показалось нижегородским купцам идеальным относительно природного ландшафта и широты обзора храма. Вместе с тем, песчаная отмель, ежегодно затапливаемая водой, представляла большую сложность для строительства надежного основания. В результате было найдено уникальное решение: вместо традиционных свай поставить здание массой в 50 тысяч тонн на деревянный плот, который был сделан из 1214 дубовых бревен. При этом учитывалось свойство дуба, который, находясь во влажной песчаной среде, постепенно приобретал прочность металла. Первый камень в основание храма заложил великий князь Владимир Александрович, прибывший в Нижний Новгород 15 июля 1868 года. В течение следующих двух лет были возведены стены храма и сделано перекрытие. Отделочные работы продолжались до конца строительства. Храм центричный, пятишатровый, архитектурные массы от притворов и боковых шатров нарастают ввысь, устремляясь к мощному центральному шатру с большой главой. Высота храма составляет 87 метров, что сравнимо с 25-этажным домом, что ставит его в тройку самых высоких соборов России после Храма Христа Спасителя и Исаакиевского собора.
Постоянного прихода у собора не было: его составляли приезжающие на ярмарку купцы. Поэтому основное помещение функционировало только во время ярмарки, а зимой не топилось — в западном притворе находилась зимняя отапливаемая церковь Макария Желтоводского и Унженского.
Храм являлся местом встречи почетных гостей города — августейшей семьи и православных иерархов. В августе 1896 года собор посетил митрополит Сербский Михаил.
Собор был закрыт в 1929 — 1930 годах, в советское время в помещении храма располагался склад. Во время Великой Отечественной войны на центральном барабане собора Александра Невского стояла зенитная батарея, защищавшая нижегородское небо от вражеских налетов.
В 40-х годах в здании храма произошел пожар, уничтоживший интерьер собора и роспись на потолке и стенах. После этого остатки внутренней штукатурки были полностью сбиты. Реставрация началась в 1983 году и продолжается по сей день. Старый иконостас, высотой в 23 метра (с восьмиэтажный дом) воссоздать не удалось, т.к. секрет был утерян, поэтому для собора разработали новую конструкцию иконостаса. На площади перед храмом установлена звонница с колоколом «Соборный» весом в 64 тонн. Это третий по величине действующий колокол в России, после колоколов Троице-Сергиевой Лавры и Московского Кремля. Он был отлит к 400-летию подвига нижегородского ополчения.