Już w 1876 roku zakupiono plac pod budowę, a po trzech latach otoczono żelaznym ogrodzeniem. Później nastąpiła wieloletnia przerwa w pracach. Dopiero 1 czerwca 1897 roku odbyło się położenie kamienia węgielnego pod budowę soboru według projektu architekta Michaił. T. Preobrażeńskiego. Kierował robotami budowlanymi architekt diecezjalny Władimir. N. Pokrowski. Roboty budowlane wykonywali Rudolf Mejer i Stanisław Dzikowski, właściciele firm z Radomia. Sobór był pięciokopułowy na planie kwadratu. Centralna kopuła, umieszczona na głównej bryle, była ośmiobokiem z oknami zwieńczonym wieżą i kopułą. Na narożnikach umieszczono kopułki. Sobór nie posiadał oddzielnej dzwonnicy. Siedem dzwonów umieszczono w małych kopułkach. Do cerkwi prowadziły trzy wejścia. Freski na ścianach wykonał kijowski malarz Muraszko. Jako wzór posłużyły ikony z soboru św. Włodzimierza w Kijowie. Wewnątrz soboru umieszczono trzy rzeźbione, pozłacane ikonostasy. W dniach 25-27 stycznia 1902 roku dokonano uroczystego wyświęcenia ołtarza głównego św. Mikołaja i bocznych świętych Carycy Aleksandry i Marii Magdaleny. Koszt budowy wyniósł 128,5 tys. rubli. Po odzyskaniu niepodległości sobór zamieniono na kościół, dokonując jego przebudowy wewnątrz i zewnątrz poprzez usunięcie prawosławnych elementów.
Literatura: Komitet budowy soboru ChVEV 1897,s.182; Utverżdenie v zvanii poćetnago ćlena Radomskago cerkovno-prichodskago Popicitelstva (gen. Evgenij Michajlović Żukovskij) ChVEV 1882, s. 58; Izbranie i utverżdenie predsedatelja i trech clenov Radomskago prichodskago Popicitestva ChVEV 1884, s.19; 1885, s.164; Archipastyrskoe obozrenie cerkvej Cholmsko-Varśavskoj eparchii v avguste 1885 g. ChVEV 1885, s. 261-3; Otcet Radomskago cerkovno-prichodskago popićitelstva za 1889 g. ChVEV 1890, s. 107-8; B-SKIJ N.; Iż Radoma (prośćanie pastyrja o. prot. Jurija Tatarova s pastvoj). ChVEV 1893,s. 14-5; K ISTORII soorużennoj v gorode Radome pravoslavnoj sobornoj cerkvi, [v:] PAmjatnaja knizka Radomskoj guberni, Radom 1898, otd. III, s. 1-5; KREŚĆENIE evrejskago semejstva v pravoslavnuju veru (Savića) CHVEV 1890,s.140; OSVJAŚĆENIE ikony, soorużennoj slużaśćimi v Radomskoj muzskoj gimnazii. ChVEV 1897,s. 424; GLINSKIJ Nikolaj prot.: Novyj pravoslavnyj v gor. Radome sobor i torżestvennoe ego osvjaśćenie. [ChVEV 1902,s.64-7; POSEŚĆENIE archiepiskopom Ieronimom gorodov Radoma i Kel’c. ChVEV 1902, s. 214-6; GOROD Radom (maloe osvjaśćenie restavrirovannoj Svjato-Nikolaevskoj cerkvi gimnazii, 28.09.1902 g.). ChVEV 1902, s.506-7; USTAV Radomskago pravoslavnago detskago prijuta. ChVEV 1896, s. 166-8; ISTRIĆESKOE opisanie pravoslavnoj sobornoj cerkvi v gorode Radome, [v:] PAmjatnaja knizka Radomskoj guberni, Radom 1903, otd. III, s. 68. Vox: O pravoslavnych chramach, VČt. 1928, XXXV, 522-5; PARAFIA Prawosławna w Radomiu (apel o pomoc w budowie cerkwi). CV 1988, VII-XII, 92; TP 1988, VII, 10; KOZŁOWSKI R. ks.: Parafia Prawosławna w Radomiu, Tygodnik Podlaski 20.03.1988 r., nr 3(36), s. 1, 8, il.; Rep. DOBRZAŃSKA Anna: Mój ojciec. Tygodnik Podlaski 1988, nr 12, s. 13; VOZVANIE. Pravoslavnyj prichod v Radome. – CV 1989, VII-IX, 67-68; (kr): Za tych co oddali swe życie nie za politykę. Tygodnik Podlaski 1990, nr 7-8, s. 2, il.; (KOZŁOWSKI Rościsław ks.) ks. R.K.: Budowa kościoła prawosławnego w Radomiu. Słowo Powszechne 25.07.1990 r., nr 143(12884), s. 5, il.; (R.K.): Cerkiew w Radomiu konsekrowana. PP 1992, XII, 3, il.; LODZINSKO-POZNANSKAJA eparchija – Radom. CV 1993, I, 19; PENKALLA A.: Cmentarz prawosławny w Radomiu. BiuletynKwartalny Radomskiego Towarzystwa Naukowego 2000, t. 35, z. 3-4, s. 27-35; PIĄTKOWSKI Sebastian o.: Radomskie cerkwie. PP 2002, I, 30, 51, il.; KOWALIK W.M.: Kościół garnizonowy – dawny sobór, [w:] Wczoraj i Dziś Radomia, Radom 2002, nr 3(15), s. 6; Antosiuk Jarosław ks.: Radomskie Prawosławie. Z błogosławieństwa J.E. Szymona arcybiskupa Łódzkiego i Poznańskiego. Wydawnictwo Oświatowe SYCYNA, Radom 2004, ss. 106, il.; 24 x 22,5 cm; ANTOSIUK Jarosław ks.: Nowe dzwony w Radomiu. Wiadomości PAKP 2004, nr 7-8, s. 5, il.; Św. męcz. Włodzimierz Miedwiediuk, [w:] Męczennicy XX wieku. Martyrologia Prawosławia w Polsce w biografiach świętych. Zebrał i oprac. Jarosław Charkiewicz. Warszawska Metropolia Prawosławna, Warszawa 2004, s. 38-43, il.;