В начале XVII века на кладбищенском погосте у окраины города Верхнеудинска стояла
одноэтажная небольшая церквушка в честь Владимирской иконы Божией Матери.
Новый храм стали возводить в 1741 году чуть севернее старой церкви.


Это было первое каменное здание города, строительные работы растянулись на сорок лет.
Нижний зимний придел в честь Богоявления был освящен в мае 1770 года, а верхний летний, главный престол в честь Смоленской иконы Божией матери Одигитрии — в мае 1785 года.

Одигитриевский собор является видным образцом сибирского барокко енисейской школы.
Основной объём — двусветный четверик с полуглавиями, перекрытый высоким сводом с главкой.
С востока к нему примыкает пятигранный алтарь, с запада небольшая трапезная и массивная колокольня под шпилем.

Стены здания имеют толщину около полутора метров, сложены из кирпича на известковом растворе. Помещения храма перекрыты кирпичными сводами, опирающимися на стены с применением железных связей. Храм увенчан высоким куполом без кровли и световым ярусом с фонариком.

В декоре — круглые фронтоны с четырехлепестковым оформлением и фигурные кокошники.
В летний верхний храм ведёт крытая каменная лестница через второй ярус колокольни.

Внутри собор не имел росписи, а его главным украшением были золоченые резные иконостасы.
В главном храме иконостас был четырехъярусным с иконами старого письма.
По численности прихожан, красоте украшения, богатству церковной утвари и библиотеки собор занял главенствующее положение среди православных храмов Верхнеудинского уезда.

В состав соборного прихода в первой половине XIX века, кроме населения Верхнеудинска, входили также жители деревень Иволгинского и Селенгинского округов.

Трещины на стенах и сводах собора, появившиеся еще в 1818 году, увеличились во время землетрясений 1862 и 1885 годов. Собор также пострадал и от городского пожара 1878 года, после которого был возведен новый верх колокольни.

К северной и южной стене колокольни в 1900-х годах пристроили дополнительные сени перед входом на паперть нижней церкви, а в 1909-1913 годах собор капитально отремонтировали.
Была полностью обновлена и внутренняя отделка.

Одигитриевскому собору принадлежала богадельня и стоящая отдельно женская двухклассная церковно-приходская школа.

В 1920-х годах храмом овладели обновленцы, а акт технического осмотра от 1929 года подтвердил заключение об аварийном состоянии здания. В этой связи церковно-приходскому совету было предписано прекратить богослужения и приступить к ремонту.
В виду отказа общества верующих от производства ремонта, Президиум ЦИК постановил — здание религиозного культа Одигитриевский кафедральный собор со всем его имуществом срочно ликвидировать!

На основании этого — изъять всё ценное, согласно "акта о передаче культового имущества".
До 1930 года собор "временно" использовался как склад, потом сняли колокола, потом в здании
расположился Антирелигиозный музей и фондохранилище Музея истории Бурятии.

С августа 1995 гoда началась поэтапная передача собора Церкви. В праздник Вознесения Господня на колокольню подняли 6 колоколов, в 1999 году был установлен крест на колокольню храма и освящён нижний придел, в мае 2000 года собор был полностью освобожден от музейного имущества и передан епархии.

Собор восстанавливался всем миром. Был произведен капитальный ремонт внутри и снаружи храма, на колокольню поднят новый колокол — 100-пудовый "Цесаревич".

В 2004 году был заложен храм в честь Нерукотворного образа Спасителя.
С учреждением Улан-Удэнской епархии в 2009 году храм стал её кафедральным собором.