Церковь Александра Невского расположена в центре сквера, занимающего весь квартал, образованный улицами Варламова, Володарского, Л.Толстого и проспектом А.Невского. Играет важную градостроительную роль, являясь активной архитектурной доминантой в историческом центре города Петрозаводска. Построена в 1826-1832 годах по проекту Александра Ивановича Посникова - архитектора Департамента горных и соляных дел. Заказчиком выступало Правление Олонецкого горного округа.
В 1774 году, когда вся Россия отмечала 50-летие перенесения мощей святого Александра Невского в Александро-Невский монастырь, возведенный на берегах Невы на месте первой победы князя над шведами, в слободе Петровских заводов был построен новый завод, находящийся выше по течению реки Лососинки. По указу императрицы Екатерины II от 14 июня 1774 года он получил название Александровский, в честь князя Александра Невского. Александровский завод лил пушки для защиты отечества, а по воскресеньям и праздничным дням служители и мастеровые ходили в Троицкую церковь, которая находилась около Зарецкого кладбища рядом со старой Крестовоздвиженской. Церковь была ветхой и маленькой, поэтому возникла идея построить новую - каменную заводскую церковь. На старинном плане города Петрозаводска, составленном в 1785 году и утвержденном князем Михаилом Долгоруким, уже отмечено место для новой заводской церкви в слободке, по правому берегу реки Лососинки, недалеко от Александровского завода.Чиновники и мастеровые Александровского Пушечного завода, кроме добровольных пожертвований, согласились отчислять на строительство собора по 2 копейки с каждого заработанного рубля. Строительство собора велось под руководством Пьетро Карло Мадерни в 1826—1832 годах. Освящён первым епископом Олонецким и Петрозаводским Игнатием (Семеновым) 27 января 1832 г. Храм каменный, построен в стиле классицизма. Композиционно состоит из четырехстолпного храмового объема кубической формы, трех портиков и алтарной апсиды, придающих зданию в плане форму греческого креста. Покрыт четырехскатной вальмовой стропильной крышей, завершается в виде пятиглавия: в центре расположен массивный, круглый в плане световой барабан на 12 окон с полуциркульным куполом, увенчанным главкой с крестом, на углах - четыре квадратные в плане звонницы под плоскими восьмигранными куполами с крестами. Примыкающие к храму портики на четырех колоннах с треугольными фронтонами, покрыты, как и алтарная апсида, на два ската. Стены снаружи гладко оштукатурены, разделены горизонтальными штукатурными тягами. Арочные проемы звонниц и окон барабана оформлены штукатурными наличниками с замковыми камнями.
Внутри храма центральный барабан поддерживается четырьмя пилонами с парусами на подпружных арках. От арок пространство перекрыто коробовыми сводами, под звонницами - куполами. Пилоны украшены парными трехчетвертными колоннами с капителями, поверх которых по периметру стен проходит большой карниз антаблемента. Западный притвор разделен на 3 этажа и имеет лестницу на звонницу, алтарная пристройка имеет 2 этажа. Под зданием - обширный подвал хозяйственного назначения.
В 1929 году храм был закрыт. В его здании в 1929-1992 гг. размещался Карельский государственный музей. В 1930-е годы были разрушены под уровень кровли храма угловые колокольни. В 1991 году храм возвращён Петрозаводской епархии. Вновь освящён 3 июня 2000 года Патриархом Московским и всея Руси Алексием II. После передачи храма Петрозаводской Епархии (в 1992 году) были начаты реставрационные работы, в результате которых зданию был возвращен первоначальный облик. Вместо утраченной ограды храм был обнесен новой металлической оградой с каменными Святыми воротами. 3 июня 2010 года в год девяностолетия Республики Карелия рядом с собором был открыт памятник святому князю Александру Невскому (скульптор В.Г. Козенюк)