Собор заложен в 1913 году к 300-летию царствования Дома Романовых. Построен на средства царской семьи и Христорождественского монастыря по проекту петербургского инженера Николая Омелюстого как один из храмов этой обители. Освящён 17 апреля 1916 года архиепископом Тверским и Кашинским Серафимом (Чичаговым) в присутствии великой княгини Елизаветы Фёдоровны. В 1936 году собор был закрыт советскими властями и использовался как склад. В 1978—1979 годах был реставрирован. В 1988 году Воскресенский собор был возвращён Церкви. В 1992 году епископ Тверской и Кашинский Виктор (Олейник) совершил малое освящение храма, были возобновлены богослужения. После этого храм стал кафедральным собором Тверской епархии. В Воскресенском соборе совершали богослужение предстоятели Русской православной церкви: в 1995 году — патриарх Алексий II, а в 2010 году — патриарх Кирилл.