W latach 1728–1740 na miejscu drewnianej cerkwi zbudowano murowany sobór. Budynek ten utrzymany jest w stylu barokowym i reprezentuje wariant tego stylu typowy dla okresu panowania cesarzowej Anny Iwanowny. Autorem projektu budowli był Domenico Trezzini, nie wiadomo natomiast, kto zaprojektował cerkiewną dzwonnicę. Głównym fundatorem obiektu był jarosławski kupiec Łapszyn, jednak przekazana przez niego suma okazała się niewystarczająca i budowę doprowadzono do końca dzięki wsparciu skarbu państwa rosyjskiego. Świątynia została rozbudowana o cztery mniejsze kopuły w 1761 r., wtedy też w jej wnętrzu wykonano dekorację malarską. W latach 1908–1909 miała miejsce restauracja budowli według projektu Apłaksina. W bocznych nawach pojawiły się wówczas nowe ikonostasy, a na elewacji obiektu zawieszono tablicę z tekstem przemowy Piotra I przed bitwą pod Połtawą. Na terenie cerkiewnym oprócz samej świątyni znajdowały się trzy kaplice (czasownie) – jedna z pocz. XIX w. i dwie neobarokowe z pocz. XX w. Honorowy tytuł soboru cerkiew św. Sampsona otrzymała również w okresie restauracji w latach 1908–1909, z okazji 200. rocznicy bitwy pod Połtawą.