Реально строительство храма началось но новому проекту лишь в 1871 году и завершилось в 1873, когда храм был освящён в присутствии епископа Гурия (Карпова). Собор был построен в виде трёхнефной базилики, внутри он был украшен мраморными колоннами, сохранившимися от древнего византийского храма. В плане здание представляло собой крест. В храме находился образ идущего по воде Иисуса Христа кисти Ивана Айвазовского. В 1875 года в соборе был погребён командир линкора «Чесма» вице-адмирал Виктор Матвеевич Микрюков, герой обороны Севастополя во время Крымской войны и участник сражения при Синопе. В 1920 году в соборе провели заупокойную службу 14 юнкеров Киевского Константиновского военного училища, а впоследствии их предположительно погребли в цокольном этаже (там же где и адмирала Микрюкова). Другой источник указывает, что юнкеров похоронили на старом городском кладбище Феодосии 28 января 1920 года. Среди юнкеров училища были представители весьма известных родов — граф Илларион Владимирович Мусин-Пушкин, барон Николай Штакельберг I, Константин Илловайский. По уточнениям родственников граф Владимир Владимирович Мусин-Пушкин был в Феодосии на могиле сына Иллариона.