В июне 1709 года русские войска под руководством Петра I одерживают блестящую победу в Полтавской битве. В связи с победой в этом сражении Петром I было принято решение о возведении нового храма в столице России. На Выборгской дороге, ведущей в сторону побежденной Швеции, была заложена деревянная церквушка, которая была освящена в 1710 годуи названа  в честь Святого Сампсония Странноприимца – как раз в день этого святого была одержана победа.

Строительство нового каменного здания началось в 1728 году под руководством архитекторов Д. Трезини и М. Земцова. Периодически строительство прерывалось, но в 1740 году строительство здания собора было завершено и освящено. Сампсониевский собор является образцом «Аннинского барокко» и, несмотря на многочисленные реконструкции и реставрации, практически сохранило первоначальный вид. Высота собора составляет 35 метров. Собор имеет три иконостаса, главный из них, высотой 11 метров, представляет собой настоящий шедевр русских мастеров деревянного зодчества.

В 18 веке при соборе было организовано кладбище, на котором хоронили иностранцев. При соборе были похоронены известные архитекторы Маттарнови, Трезини, Леблон, Шлютер, фельдмаршал Миних. Кладбище  не сохранилось до наших дней.

К 200-летию победы под Полтавой у Сампсониевского собора был установлен памятник Петру I, выполненный архитектором М. Антокольским. Также на фасадах колокольни установлены мемориальные доски.

В 1938 году служения при соборе были прекращены, спустя два года памятник Петру I был передан Третьяковской галерее. Во время войны здание собора сильно пострадало и в послевоенные годы частично реконструировано.

В начале 90-х годов 20 века здание было передано Государственному Музею «Исаакиевский собор» и начаты реставрационные работы. В 1999 году Сампсониевский собор был открыт, как музей. В праздничные и выходные дни при соборе проходят богослужения.