Одигитриевский собор возведён в 1741—1785 годах в городе Верхнеудинске (с 1934 года — Улан-Удэ) и является памятником архитектуры сибирского барокко. Это первое каменное здание города, расположенное в историческом центре, на правом берегу реки Уды близ её впадения в Селенгу.
Тёплый нижний придел во имя Богоявления Господня был освящен 27 мая 1770 года святым Софронием, епископом Иркутским и Нерчинским. Верхний летний придел во имя Смоленской иконы Божией Матери Одигитрия был освящён 3 мая 1785 года.
6 сентября 1929 года было издано постановление о закрытии собора. Всё церковное имущество было изъято, иконы уничтожены, здание передано под склад. В здании храма устроили курсы строительных кадров, а с конца 1935 года в соборе разместился Антирелигиозный (после Великой Отечественной войны Краеведческий) музей. До 1999 года в соборе хранились фонды Музея истории Бурятии.
20 декабря 1999 года верующим был передан нижний придел, а 30 мая 2000 года — верхний.
Собор восстанавливался всем миром. Был произведен капитальный ремонт внутри и снаружи храма, укреплены фундаменты, на колокольню подняты новые колокола. Иконы для иконостаса были написаны мастерской под руководством Максима Красикова.
1 августа 2004 года епископом Читинским и Забайкальским Евстафием был освящен нижний храм в честь Богоявления Господня, а 27 сентября 2004 года главный престол в честь иконы Божией Матери Одигитрия был освящен митрополитом Смоленским и Калининградским Кириллом (ныне Святейший Патриарх).
В 2004 году на территории прихода была построена трапезная и заложен храм в честь Нерукотворного Образа Христа Спасителя.
С учреждением Улан-Удэнской и Бурятской епархии в 2009 году Одигитриевский храм стал её кафедральным собором.
К сожалению, на протяжении последних пятнадцати лет в соборе не проводились необходимые ремонтные работы.
По благословению митрополита Улан-Удэнского и Бурятского Иосифа в соборе была заменена вся электрика, пожарная и охранная сигнализация, система отопления, а главное был сделан капитальный ремонт стен: все слои старой штукатурки и краски сняли, поверхности выровняли, оштукатурили, покрасили в нежно голубой небесный цвет. Старая плитка пола заменена на гранит.
Была изготовлена и закуплена новая храмовая мебель и богослужебная утварь, значительно переделан иконостас, храм украсился благолепными писанными иконами в красивых резных киотах.
Подготовка к великому освящению храма завершается. Под его обновленными сводами вновь зазвучит молитва.