Свято-Покровский кафедральный собор неспроста считается главным среди православных верующих. История уготовала храму нелегкий путь. Но время все расставило на свои места, и сегодня сотни людей приходят в собор, чтобы поклониться мощам святых и попросить заступничества у Иконы Покрова Пресвятой Богородицы.
Покровский собор был построен в стиле классицизма как костёл католического монастыря тринитариев в 1806—21 годах на месте деревянного костёла, заложенного в 1758 году. Двухэтажный монастырский корпус стал каменным еще в 1806году.
После восстания 1831 года костёл был закрыт, а его обитатели-монахи высланы из города. В бывшем жилом монашеском корпусе открыли приют для детей-сирот. Ещё через шесть лет в здании приюта была устроена женская тюрьма, которая просуществовала здесь долгие годы. 
Здание бывшего костёла долго оставалось пустым. Наконец, в 1858 году, оно было отдано православной церкви, и начата его перестройка в православный храм. Расходы на перестраивание оплачивались витебским купцом первой гильдии, промышленником Григорием Волковичем. Работы были закончены в 1865 году. В ходе строительных работ серьёзных изменений в архитектуре храма произведено не было. Храм был освящён в честь Покрова Пресвятой Богородицы.
К юбилею 300-летия дома Романовых в 1913 году, Покровская церковь была перестроена ещё раз. На этот раз, над центральной частью храма был построен барабан с куполом. Также были надстроены две башни и изменена форма фронтона с треугольной на полукруглую.
В 1930-е годы, как и большинство других храмов, Покровская церковь была закрыта советскими властями.
Во время немецкой оккупации некоторые храмы города снова открыли. Не стала исключением и Свято-Покровская церковь.
В августе 1941 года, сюда были перенесены мощи святой Евфросинии Полоцкой, хранившиеся до этого в городском музее атеизма (находился в здании костёла св. Антония Падуанского).
Мощи св. Евфросинии находились в Покровской церкви до 22 октября 1943 года, когда они были перенесены в полоцкий Софийский собор (а затем — в Спасо-Преображенский женский монастырь Полоцка)
Во время военных действий здание церкви пострадало: были повреждены башни, уничтожен купол, и разрушена крыша. В послевоенные годы здание не восстанавливали, но и не разрушали — это постепенно делало время.
В 1980-х годах заброшенное здание собирались уничтожить. Но этому помешала близость перестройки и инициатива общественного движения интеллигенции «Узгор’е».
В 1986 году было принято решение восстановить здание храма. В 1987 — начата реставрация. 20 ноября 1989 года Совет по делам религий при Совете Министров СССР постановил зарегистрировать в Витебске «Второе религиозное общество» Русской Православной Церкви.
14 октября 1990 года, на праздник Покрова Пресвятой Богородицы, в храме состоялось первое богослужение. Реставрация (по проекту архитекторов Ратько и Ляденко) Свято-Покровского собора была завершена в 1992 году.
25 сентября 1998 года собор посетил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II. Об этом событии напоминает памятная доска, размещённая на западном фасаде здания.
27 сентября 2009 года Покровский собор посетил следующий Патриарх Московский и всея Руси — Кирилл.
В бывшем монастырском корпусе размещается приписной храм во имя святого преподобномученика Афанасия, игумена Брестского.
При соборе также действуют: сестричество, приходская библиотека, воскресная школа, иконописная и пошивочная мастерские, трапезная.
Храм расписан московским иконописцем Владимиром Александровичем Сидельниковым, членом российского Союза художников.