Собор был построен в 1909 году в русском стиле по проекту архитектора М.Ф. Вержбицкого. Здание строилось при поддержке известного азербайджанского мецената Гаджи Тагиева и на частные пожертвования. Изначально храм имел статус полкового и находился в ведении 262-го пехотного резервного Сальянского полка.

В советский период собор не избежал печальной участи, постигшей тысячи православных святынь: он был закрыт в 1920 году и стал использоваться сначала как склад, а затем как спортивный зал. В дни январских событий 1990 года в колокольню храма попали два снаряда, по причине чего она частично была разрушена, пол просел, стены потрескались, а кровля обвалилась. В 1991 году полуразрушенное здание храма было передано Русской Православной Церкви.

Возможность осуществлять восстановительные работы в храме появилась со времени учреждения в Баку архиерейской кафедры. Попечением и заботами епископа Бакинского и Прикаспийского Александра были проведены ремонтно-восстановительные работы, и храм был подготовлен к освящению. Во время своего Первосвятительского визита в Азербайджан Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II 27 мая 2001 года совершил великое освящение храма святых Жен-мироносиц и присвоил ему статус кафедрального собора епархии.

При поддержке азербайджанского мецената и предпринимателя Айдына Курбанова в кафедральном соборе были проведены комплексные ремонтно-восстановительные работы: сооружен каменный резной иконостас, в котором размещены иконы, написанные известным московским иконописцем Александром Соколовым. Храм был расписан группой московских художников под руководством художника Строгановской академии В.Ф. Страшко. Также была приобретена необходимая церковная утварь.

По завершениии ремонтно-восстановительных работ 24 марта 2003 года состоялось открытие обновленного храма. В торжественном мероприятии принял участие Президент Азербайджанской Республики Гейдар Алиев, председатель Управления мусульман Кавказа шейх-уль-ислам Аллахшукюр Паша-заде, а также дипломаты и сотрудники аккредитованных в Азербайджане дипломатических миссий, культурные и общественные деятели.

В апреле 2003 года кафедральный собор посетил Святейший Патриарх Константинопольский Варфоломей, который передал в дар собору частицу мощей небесного покровителя Баку — апостола Варфоломея.

В июне 2005 года собор посетил Святейший и Блаженннейший Католикос-Патриарх всея Грузии Илия II.

В сентябре 2005 года кафедральный собор вновь посетил Святейший Патриарх Алексий II. Во время визита Святейший Патриарх совершил чин освящения надкладезной часовни при соборе.

***

В соборе находится ковчег с частицей мощей апостола Варфоломея — покровителя Баку, чтимые иконы Божией Матери «Тихвинская» и «Каспийская».

В крипте собора погребен епископ Бакинский и Прикаспийский Митрофан (Поликарпов).

Причт кафедрального собора: настоятель протоиерей Леонид Милтых, 4 священника и 3 диакона.

Адрес: г. Баку, военный городок Красный Восток, 126.