Хороший образец ярославских церквей 2-й пол. XVII в., сооружен в 1681-1687 при помощи Р. Л. Еремина. Кирпичный четырёхстолпный пятиглавый храм, с севера и юга окруженный папертями, с юго-востока пристроен одноглавый Тихвинский придел (1776). Закрыт в 1930, использовался под склад, мастерскую, но поддерживался в порядке. Возвращен верующим в 1987, отремонтирован. С тех пор имеет статус кафедрального собора.

В настоящее время кафедральный собор Ярославской епархии. С 1989 в соборе хранятся мощи Федора, Давида и Константина Ярославских и Василия и Константина Ярославских.

Зимняя церковь Николо-Пенского (Федоровского) прихода, стоит к северу от Федоровского собора. Одноглавый четверик с трапезной и шатровой колокольней, сооружен в 1688-1691. В 1890 с севера на средства купца С. А. Черногорова пристроен Сергиевский придел в псевдорусском стиле, над которым надстроена Никольская часовня (с 1919 - Никольский придел), с отдельным входом с улицы. Единственная из церквей в старых кварталах города, не закрывавшаяся в годы советской власти, во 2-й пол. ХХ в. главный храм епархии.

С 1940-х до 1989 кафедральный собор Ярославской епархии.