Храм возводился с 1781 по 1786 под неусыпным наблюдением Григория Потемкина и был освящен как храм Екатерина Александрийская, имя которой носила Императрица Екатерина Великая.
Здание выстроено из бледно-желтого ингулецкого известняка, в стиле русского классицизма с четырёхколонным портиком у западного фасада. Завершает строение невысокий купол. В наружных нишах помещены шесть скульптурных изображений святых.
Символическое значение имеют две статуи, находящиеся возле центрального входа: Св. Апостол Петр с ключами от рая и Св. Апостол Павел с мечом. Херсон, по замыслу, должен быть южным Петербургом, и собор был одним из первых шагов на этом пути.
Князь Григорий Александрович Потёмкин, основатель Херсона, завоеватель Тавриды, распорядился поставить эти фигуры возле входа, чтобы напомнить, что ключи от Юга (то есть земного рая) достались после тяжелых боев, добытые мечом. С западной стороны собора находится надпись (бронзовыми, позолоченными буквами) «Спасителю рода человеческого Екатерина II посвящает».
Екатерининский собор входил в состав архитектурного ансамбля Херсонской крепости, первого ансамбля классицизма в Украине. Крепость была заложена в сентябре 1778 года; до окончания строительства собора в 1786 году, архитектурные проекты коренным образом изменялись 4 раза. Вначале собор намечался в центре площади, на пересечении главных улиц крепости.
