Первый храм — Исаакиевская церковь — находился на Адмиралтейском лугу, напротив башни Адмиралтейства. Храм располагался на том месте, где теперь находится фонтан. К 1706 году на Адмиралтейских верфях работало более 10 тысяч человек, но поблизости для них не было ни одной церкви. По распоряжению Петра I здание для храма перестроили из адмиралтейской чертежной (чертёжного амбара), расположенного с западной стороны Адмиралтейства на расстоянии 15 — 20 м от канала (проходящего тогда вкруг Адмиралтейства) и в 40 — 50 м от берега Невы. Церковь была деревянной, одноэтажной, с одноярусной колокольней, увенчанной шпилем, и маленьким куполом на барабане над алтарной частью.

Уже в 1717 году вместо деревянной начинается возведение второй Исаакиевской церкви, каменной, по проекту Г. И. Маттарнови в стиле «петровского барокко». Она была построена на том месте где сейчас находится Медный всадник.6 августа 1717 года Пётр I собственноручно заложил первый камень в основание собора. После кончины Маттарнови, в 1721 году строительство возглавил Н. Ф. Гербель. Но через три года он тоже скончался, и строительство завершил в 1727 г. каменных дел мастер Яков Неупокоев.

В 1735 г. удар молнии вызвал пожар в соборе, кроме того, фундамент храма постоянно отсыревал от невских вод — ведь набережную стали облицовывать гранитом только с 1762 г. и русло Невы было ближе к указанному месту на 20 метров. Для обследования состояния собора Сенат направил архитектора С. И. Чевакинского, который констатировал невозможность сохранения здания. Было вынесено решение: собор разобрать и построить новый, дальше от Невы. В 1769 году началось строительство третьего Исаакивеского храма на том месте, где сейчас стоит Исаакиевский собор.

Третий собор был освящён уже при императоре Александре I — 30 мая 1802 года. Но уже в 1809 году в связи с тем, что собор не соответствовал столичному облику — здание получилось приземистое, мраморные стены были надстроены кирпичом и выглядели странно — был открыт конкурс на новый вариант собора. По мысли Александра I необходимо было не строительство нового, а перестройка уже построенного собора: условием было сохранение трёх освящённых алтарей существующего собора. Но ни один из представленных проектов не удовлетворял требованиям. В 1816 году Александр I поручает инженеру А. Бетанкуру, председателю «Комитета по делам строений и гидравлических работ», заняться подготовкой проекта перестройки Исаакиевского собора. Бетанкур предложил поручить проект молодому архитектору О. Монферрану, недавно приехавшему из Франции в 1816 г.

В 1818 году произошла торжественная закладка современного, четвёртого Исаакиевского собора. Проект Монферрана 1818 года перерабатывался в 1825 г. Строительство продолжалось 40 лет до 1858 года. Ходит легенда, что некий предвидец предсказал смерть Монферрану вскоре после окончания строительства Исаакиевского собора. И действительно, Огюст Монферран скончался через месяц после окончания строительства Исаакиевского собора.

В 1836 году роспись сводов собора поручили крупнейшему русскому художнику Ф. А. Бруни, который создал 25 картонов, на выставке в Риме и Петербурге получивших высокую оценку посетителей. 12 картин на сводах и в аттике собора выполнил художник и его ученики К. Б. Венинг, П. Ф. Плешанов, и Н. С. Ксенофонтов. Самая большая роспись площадью более 800 кв. метров — плафон большого купола — исполнена К. П. Брюлловым. На внутреннее убранство собора пошло 400 кг золота, 16 тонн малахита, 500 кг лазурита и тысяча тонн бронзы. Было отлито около 300 статуй и горельефов, мозаика заняла площадь 6,5 тысяч кв. метров.

Исаакиевский собор стал кафедральным собором Русской Православной Церкви до 1922 года.