Sobór pierwotnie reprezentował styl wczesnoklasycystyczny, z zachowaniem struktury krzyżowo-kopułowej. W latach 1840–1842 został gruntownie przebudowany według projektu Adamsona. Do obiektu dobudowano wówczas dwa skrzydła. Wzniesiono również nową, większą kopułę i cztery kopuły boczne, zwieńczone pozłacanymi krzyżami. Nad przedsionkiem zbudowano na planie prostokąta zwieńczoną iglicą dzwonnicę. W 1860 w soborze urządzono drugi ołtarz, św. Mikołaja, zaś w 1901 trzeci, św. Izydora Jurjewskiego.
Związani z cerkwią Z parafią soborową związani byli – w okresie, gdy mieszkali na stałe w Tartu – rosyjscy poeci Wasilij Żukowski i Nikołaj Jazykow. W 1921 w świątyni miał miejsce ślub rosyjskiego poety, porewolucyjnego emigranta, Igora Siewierianina, i poetki estońskiej Felissy Krut.
W latach 1957–1961 proboszczem miejscowej parafii był ks. (następnie hieromnich) Aleksy (Ridigier), późniejszy patriarcha moskiewski i całej Rusi Aleksy IIАЛЕКСИЙ II.
W 1919 w świątyni pochowano zamordowanych przez estońskich bolszewików biskupa rewelskiego Platona