La cattedrale sorge su una preesistente chiesa in legno costruita nel 1710 in onore a San Sansone ospitaliere. Fu nel giorno di festa dedicato a questo santo che Pietro il Grande sconfisse Carlo XII di Svezia nella battaglia di Poltava. L'odierna cattedrale venne edificata sotto il regno di Anna I di Russia su disegno dell'architetto svizzero-italiano Pietro Antonio Trezzini. Fu consacrata nel 1740. La costruzione del campanile è successiva. La chiesa originale aveva una sola cupola; le quattro cupole sussidiarie furono aggiunte nel 1761.