Летом 1709 года русские войска одержали победу над шведской армией в битве под Полтавой. Такое событие необходимо было увековечить в истории, и Пётр I приказал заложить деревянную церковь с колокольней. Строительство последней продолжалось с 1728 по 1740 год. Имя архитектора неизвестно — в разные годы авторство приписывалось Джузеппе Трезини, Пьетро Трезини и Михаилу Земцову. На момент постройки храм находился далеко от центра города и около него стали проводить захоронения. Рядом с собором располагаются могилы известных художников, скульпторов, архитекторов, которые внесли огромный вклад в формирование образа Северной столицы — Л. Каравака, А. Шлютера, С.Торелли и др.

Во время Великой Отечественной войны храм святого Сампсония сильно пострадал. В 1938 году церковь закрыли, некоторое время в ней хранили боеприпасы. В 1999 году храм получил статус музея-памятника государственного значения. Для того, чтобы вернуть строениям первозданный вид, в 2000-е годы провели масштабные реставрационно-восстановительные работы. Сейчас посетители видят уникальные элементы допетровской эпохи, которые гармонично сочетаются с элементами европейской архитектуры.

Сейчас комплекс Сампсониевского собора включает три здания — основной храм, колокольню и часовню, построенную в 1909 году по проекту архитектора Андрея Аплаксина. Архитектурный стиль часовни заметно отличается от предыдущих построек.

Главную ценность для храма представляет золочёный иконостас высотой 11 метров. Образы иконостаса были созданы художниками Т. Баженовым и А. Поспеловым. В соборе также находятся иконы первой половины XVIII века.

В 2017 году храм был передан Русской православной церкви. Сегодня здесь совершаются ежедневные богослужения, проводятся экскурсии и другие мероприятия.