Actuala catedrală a Mitropoliei Moldovei a fost ridicată pe locul unde, anterior, s-a aflat biserica Stretenia cu hramul Întȃmpinarea Domnului, ridicată în secolul al XVII-lea. Această biserică a fost zidită și ea peste o alta biserică mai veche, datată în secolul al XV – lea, intitulată Biserica Albă.

Actul de naștere al actualei Catedrale mitropolitane din Iași este Hrisovul domnesc datat la 8 august 1826,  emis de domnitorul Moldovei, Ioniţă Sandu Sturdza (domn între 1822-1828). Acest document se referă la lucrările de proiectare și construire a noii biserici. Planurile Catedralei mitropolitane au fost realizate de arhitecții Gustav Freywald (arhitect și al Palatului Roset - Roznovanu – actuala Primărie Iași) şi Bucher, care preluau din arhitectura bizantină cupola centrală monumentală, dar prevedeau și patru turnuri decroşate. Ei vor fi urmați, de la 1 aprilie 1838, de Mihail Sigurov, arhitectul curții lui Mihail Sturdza.

Lucrările au început în anul 1833. Arhitectul vienez, Gustav Freiwalt, a adoptat pentru noua biserică stilul neoclasic, influențat de formele mai recente, ulterioare Renașterii italiene, întâlnit şi la alte biserici maiestuoase din ţări europene de tradiţie creştină precum Italia, Austria, Ungaria ş.a..

Arhitecții au respectat dorința primului ctitor – ca biserica să fie încăpătoare, pentru 2000-3000 de persoane –, concepând planurile după proporțiile grandioase ale unor catedrale occidentale. S-a lucrat intens până în anul 1841, când „lucrările de finisaj erau pe terminate, iar pregătirile pentru târnosire foarte apropiate”. Din cauza unor calcule eronate, probabil pe fondul lipsei de experiență a arhitectului în construcția de biserici monumentale de tip oriental, enorma cupolă și turnul central s-au prăbușit, determinând si serioase fisuri în părțile laterale ale clădirii.

Mitropolitul Veniamin, ctitor și susținător al proiectului bisericii, a fost silit să se retragă din scaun în anul 1842 și astfel lucrările au fost întrerupte. Totodată, au apărut probleme serioase în legătură cu rezistenţa bolţii centrale. Pe fondul frământărilor politice și sociale (Revoluția de la 1848, Unirea Principatelor, secularizarea averilor mănăstirești, Războiul de Independență), Catedrala mitropolitană a rămas neterminată timp de aproape 40 de ani.

Construcția a rămas în ruină pȃnă în anul 1880, cȃnd mitropolitul Iosif Naniescu pune a doua piatră de temelie și, cu sprijinul autorităților statului, lucrările sunt finalizate în 1887, după planurile arhitectului român Alexandru Orăscu, care a refăcut proiectul măreței biserici, renunțând la imensa cupolă centrală.

El a prevăzut două rânduri de pilaștri masivi în interior, pe care se descarcă cele patru bolți, despărțite prin arce transversale, şi a realizat o clădire de plan basilical, cu o navă centrală și două nave laterale, mai mici. Alexandru Orăscu a păstrat cele patru turle laterale decroșate, dar a renunțat la cupola centrală de mari dimensiuni, înlocuind-o cu un sistem de patru bolți, rezultȃnd o construcție cu arhitectură eclectică, ce calchiază un subtil neobaroc peste o evidentă linie clasică.

Sfințirea Catedralei mitropolitane, la 23 aprilie 1887, a fost un eveniment național, la ceremonie luând parte regele Carol I și regina Elisabeta, ctitori și ei ai lăcașului, după cum menționează și pisania:

„Terminatu-s-a întreaga lucrare în anul mântuirii 1886, al domniei noastre al douăzeci-și-șaselea, al regatului meu al șaselea, împodobindu-se și înzestrându-se cu vase sfinte, candele de argint, policandre, odoare și veșminte prețioase, precum și cu cele 10 ferestre cu măiestrie împodobite și închinate de noi ca un prinos al râvnei noastre pentru înălțarea sfintei Biserici Ortodoxe, întru pomenirea mea, a iubitei mele soții Elisabeta și a urmașilor noștri...”

La acea vreme, vitraliile catedralei mitropolitane din Iași reprezentau, prin mărimea lor, un record european, acestea fiind dăruite de rege, împreună cu sfintele vase, policandrele, veșminte prețioase și alte odoare.

Biserica are o lungime de 56,7 m, o lățime de 34,15 m, la abside, și 24 m, la nivelul navei centrale. Prin înălțimea ei, de 52,92 m, catedrala se situează pe primul loc în topul celor mai înalte construcții istorice din Iași, probabil și din Moldova.