Здание нынешнего Свято-Покровского собора построено в 1821 году. В 1858 году храм был перестроен. Реконструкция завершена в 1865 году. Произведенная перестройка принципиально не изменила архитектуру храма.

Второй раз храм был перестроен в начале XX века к юбилею 300-летия дома Романовых в 1913 году. Был сооружен третий купол над центральной частью храма, надстроены башни, треугольный фронтон заменен округлым, лучковым.

В 30-е годы ХХ века храм постигла участь большинства православных святынь: его закрыли. Вновь, на краткое время, Свято-Покровский собор был открыт во время Великой Отечественной войны — в 1941 году. Вот как описывал это событие его участник, ныне канонизированный на Архиерейском Соборе 2000 года новомученик, архимандрит Серафим (Шахмуть): «...Народ радуется открытию церквей, и в Витебске при открытии Свято-Покровской церкви народ до того был тронут, что весь зарыдал, и священники не могли служить, и был временный перерыв...».

В августе 1941 года из местного антирелигиозного музея в храм перенесена святыня — мощи преподобной Евфросинии, игумении Полоцкой. В храме они находились до 22 октября 1943 года, откуда после торжественно совершенной Божественной литургии с молебном преподобной Евфросинии были поездом доставлены в Свято-Софийский собор Полоцка, а затем перенесены в Спасо-Преображенский храм Спасо-Евфросиниевского женского монастыря.

Во время войны здание Свято-Покровского собора значительно пострадало: был уничтожен второй ярус башен, разрушена крыша. Не ремонтировавшееся здание постепенно приходило в упадок, разрушаясь от воздействия погодных условий. Находясь в центре города, оно являлось немым укором горожанам, забывшим о своих духовных корнях.

В конце 80-х годов храм готовили к сносу, но начавшаяся оттепель перестройки дала возможность общественному движению интеллигенции города «Узгор’е» спасти храм.

В 1986 году было принято решение о реконструкции Свято-Покровской церкви. 20 ноября 1989 года Совет по делам религий при Совмине СССР постановил зарегистрировать в Витебске «второе религиозное общество» Русской Православной Церкви. На праздник Покрова Пресвятой Богородицы 14 октября 1990 года состоялось первое богослужение в Свято-Покровском кафедральном соборе.

Полностью реставрация собора была завершена в июле 1992 года, когда на Витебщине проходили празднования в честь 1000-летия Православия на Беларуси.

25 сентября 1998 года Свято-Покровский собор посетил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II, о чем ныне свидетельствует укрепленная на западном фасаде здания памятная доска.

При соборе действуют: воскресная школа, сестричество, приходская библиотека, пошивочная мастерская, трапезная.

Храм расписан фресками под руководством московского иконописца В.А. Сидельникова, члена российского Союза художников.

Настоятелем прихода является священник Александр Мозолев.

Святыни храма:

• икона свт. Иннокентия Московского с частицей св. мощей;
• икона св. прав. Иоанна Кормянского с частицей св. мощей;
• икона свт. Димитрия Ростовского с частицей св. мощей;
• икона прп. Евфросинии Полоцкой с частицей св. мощей;
• икона прп. Иоанна Рыльского, освященная на его св. мощах;
• икона Покрова Пресвятой Богородицы;
• икона сщмч. Александра Чагринского с частицей св. мощей;
• икона праведных Софии, княгини Слуцкой и Иулиании, княжны Ольшанской;
• деревянная рака прп. Евфросинии Полоцкой, в которой ее мощи были перенесены в 1910 г. из г. Киева в Полоцк. Передана 6 ноября 2007 года.