В Житомире, до 1851 года, кафедральный собор помещался в небольшой, весьма скромной по виду церкви, оставшейся от времен унии; в упомянутом году было приступлено к расширению этой церкви, но при такой перестройке обрушилась колокольня. На время производства этих работ собор находился в деревянном помещении. Кто бы не удивился, встретив православный кафедральный собор помещающимся в простой хате, имеющей вид постоялого двора на проселочной дороге? А между тем это было в русском губернском городе, в половине XIX столетия. Правда, собор помещался в таком нищенском строении временно, всего около 10 лет, но в течении этого времени никто однако не останавливался над мыслью, что господствующая церковь и одного дня не должна подвергаться подобному уничижению и посрамлению.

В 1864 году было приступлено к разборке обрушившегося прежнего собора и составление проекта постройки нового храма. Проект составлен по указаниям императора Александра Николаевича. Работы начаты в 1866, а окончены в 1874 году. Собор устроен на 3000 богомольцев. В нем находится три престола: Преображения Господня, св. равноапостольного князя Владимира и св. великого князя Александра Невского. Все столбы и украшения внутри храма сделаны из местного гранита и лабрадора, свидетельствующих о богатстве природы Волынского края. Иконостас сделан из дуба по эскизам архитектора Шаламова. Все образа исполнены академиком Васильевым в Византийском стиле и составляют оригинальные произведения. Особенную ценность Житомирского храма представляет собою древняя икона св. Василия Великого, перенесенная сюда из Овручской Николаевской церкви и по преданию, вывезенная св. Владимиром из Греции после принятия им св. крещения.

В наружной архитектуре собора соблюден тот же византийский стиль, смешанный с древле-русским. Собор о пяти главах и шестой колокольни пирамидальных форм. Колокольня так высока (от подножия храма до высшей окончательной точки его 28 сажен), что в ясную погоду, говорят, виден Бердичев, отстоящий от Житомира в 47 верстах. Даже с главного купола (с высоты 20 сажен) несколькими саженями ниже колокольни, видно пространство, во все стороны верст на 30, в разнообразных пейзажах, которым летний колорит придает еще более прелести, а самый Житомир, омываемый реками Тетеревом и Каменкою, среди садов и возвышающихся над ними пирамидальных тополей, представляется восхитительною картиной. Северный и южный портики великолепны, в них столько изящной простоты, но вместе с тем грандиозной прелести, что чем больше на них смотрим, тем более манит войти в них.

Во всех девяти колоколах с языками весу 1017 пудов. Не только в Житомире, а и во всей Волынской губернии на то время не было колокола с таким значительным весом, как большой колокол. Звон его напоминает большой колокол Михайловского монастыря в Киеве, а его благовест, особенно в тихий вечер ко всенощной, когда умолкнет городской шум, далеко слышен не только в Житомире с его окрестностями, но и дальше.