Святой Григорий Просветитель и царь Трдат III воздвигли Кафедральный собор с 301 по 303 г.г. , в бывшей столице Армении Вагаршапате. Это старейший образец христианской храмовой архитектуры, сформировавший стиль, получившей название «крестово-купольная система».
 В 17 веке, под владычеством Персии шах Аббас требует перенести кафедру в Исфахан, однако разрушить храм не получается, а уже в 1627 году католикосом Мовсесом реконструируются купол и своды Собора. В 1654-1658 г.г. в западной части храма по проекту Саака Хизанеци и Мовсеса перед входом воздвигается трехэтажная колокольня. Малые колокольные башни были добавлены на вершинах каждого крыла в 1682 г. Нагаш и Овнатан Овнатаняны декорируют интерьеры собора фресками в 18 столетии. Музей был сооружен в восточной части кафедрального собора в 1869 г. 
В 1955-58 годах во время проведенных раскопок были обнаружены фундамент из четырех колонн, датированные концом III века и языческий алтарь, расположенный под существующим ныне алтарем Кафедрального собора.