Строительство собора было неразрывно связано с трагической гибелью российского императора Александра — Освободителя, с российским императорским домом, покровителем которого считался святой Александр Невский. В торжественной закладке первого камня 1 марта 1891 года, в день десятой годовщины со дня гибели императора Александра II, участвовала императрица Мария Фёдоровна. Освящение собора происходило 4 декабря 1902 года в присутствии императора Николая II, его семьи и свиты.

Храм двупрестольный: верхний престол освящен во имя святого Александра Невского, а нижний во имя святого Артемия. Двухъярусный, с открытыми галереями, ялтинский собор выстроен в неорусском стиле и украшен многочисленными декоративными элементами: пилястрами, киотцами, порталами, шатровым крыльцом. Нарядный вид ему придали бело-розовые тона. Рядом с собором была сооружена трёхъярусная колокольня, 11 колоколов для которой были отлиты в Москве. Купола храма покрыли золотом.

В 1938 году храм был закрыт, колокола отправили на переплавку, в соборе устроили спортивный клуб. Богослужение в Александро-Невском соборе было возобновлено в 1945 году, и с тех пор не прекращалось.