Кафедральный собор Святого Эчмиадзина назывался Св. Католике г. Вагаршапата, а Главный алтарь – Шогакат Сурб Аствацацин (в честь Св. Богородицы).
Как свидетельствует Агафангел (арм. Агатангелос), храм был построен рядом с царским дворцом, по видению Св. Григория Просветителя. Внутри Кафедрального собора, прямо под куполом, был установлен Св. Алтарь Сошествия (он был реконструирован в 1961 г. по проекту архитектора А. Галикяна и по скульптурным эскизам Р. Исраеляна). Согласно национальному преданию, после Всемирного потопа патриарх Ной на этом месте воздвиг первый жертвенник и принес жертву Богу в благодарность за свое спасение.
Архитектурная композиция Кафедрального собора, по мнению разных специалистов, представляла собой трехнефную купольную базилику в виде прямоугольного сводчатого зала с четырьмя пилонами и шатром, базирующимся на четырех столбах над Св. Крестом; изначальная структура сохранилась в современной композиции.
По свидетельству Лазаря Парпеци, в 483-484 гг., в дни правления католикоса Ованнеса I Мандакуни, за счет мецената Ваана Мамиконяна Кафедральный собор был полностью перестроен, после чего он получил свой основной, соответствующий нынешнему, плановый и объемно-пространственный вид.
Эта армянская храмовая композиция Кафедрального собора – крестообразная, центрально-купольная, четырехпилонная, четырехапсидная – стала большим вкладом в мировое христианское зодчество. В IX–XI вв. эта архитектурная композиция получила распространение и в Европе.
Кафедральный собор существенно пострадал от арабского, турко-сельджукского и монголо-татарского нашествий. Слово «Эчмиадзин» («Сошел Единородный») в наименовании храма впервые использовал историк XIII века, митрополит Сюнийский, архиепископ Степанос Орбелян.
В начале XVII века персидский шах Аббас I первоначально решил разрушить Кафедральный собор и перевезти по камням в Персию – с целью построить в Исфахане подобный Кафедральному собору новый храм, чтобы «сердца» угнанных с родины тысяч армян «не щемило от тоски». К счастью, это злое намерение было пресечено стараниями ходжи Назара, однако позже, в 1614 г., из стен храма все же были изъяты 15 «достославных» камней (из Главного Алтаря, Св. Престола Сошествия и наружных углов храма) и перевезены в Персию. В указанный период были разрушены покрытие и купол Кафедрального собора, выбито множество камней из стен, поврежден фундамент, а сам храм был разграблен.
Нынешний купол строения датируется XVII веком, двенадцатигранный барабан которого украшают скульптурные изображения в виде дисков с портретами 12 апостолов (хотя указанные скульптуры, по убеждению доктора архитектуры А. Казаряна, имеют более раннюю датировку), по соседству с которыми сохранились лапидарные надписи. Судя по всему, в них упоминаются имена мастеров и меценатов.
В ходе раскопок 1950-х годов были обнаружены крестообразные анкеры несущих купол пилонов, а под Главным Алтарем – монумент эпохи Ванского царства (ныне установленный во дворе напротив колокольни) и остатки первоначального алтаря с очагом наподобие тонира в центре.
Из проведенных на сей день преобразовательных и ремонтных работ выделим следующие:
Сильно пострадавший во второй половине IV века от нашествий персидского шаха Шапура II Кафедральный собор был перестроен при католикосе Св. Нерсесе I Великом, в 353–373 гг. Работы проводились также в период правления Св. Саака I Партева, в 387–428 гг., а в 483–484 гг. храм перестроил марзпан Ваан Мамиконян с новыми архитектурными решениями, близкими к сегодняшней структуре здания. В 615–628 годах, при католикосе Комитасе I Ахцеци, деревянное покрытие храма было заменено каменным, а затем отремонтировано во время правления католикоса Нерсеса III Тайеци (Строителя), в 641–661 годах. После длительного перерыва, ремонтные работы были проведены в 1441–1465 годах, в период правления католикосов Киракоса I Вирапеци и Григора X Джалалбекянца. В 1629–1632 гг., при католикосе Мовсесе III Татеваци, храм был основательно отремонтирован и дополнен новыми постройками.
В 1632–1655 гг., при католикосе Филиппосе I Агбакеци, была реконструирована каменная кровля храма; начались работы по строительству трехэтажной колокольни.
В 1657–1658 гг., при католикосе Акобе IV Джугаеци, строительство колокольни было завершено.
В 1681–1691 гг. католикос Егиазар I Айнтапци над тремя апсидами построил колокольни-купола и покрыл пол в храме мраморными плитами. В 1720 году по распоряжению католикоса Аствацатура Хамаданци (1715–1725 гг.) Нагаш Овнатан приступил к росписи храма.
В 1726–1729 гг., при католикосе Карапете II Улнеци, был завершен ряд из 15 икон алтарного возвышения (под амвоном). В 1770 году католикос Симеон I Ереванциреконструировал каменную кровлю храма, а католикос Гукас I Карнеци в 1789 г. укрепил фундамент.
В 1804–1813 гг., во время русско-персидской войны, церковь находилась в заброшенном и разрушенном состоянии. В 1837 году, в период правления католикоса Ованнеса VIII Карбеци (1831–1842 гг.), в связи с визитом российского императора Николая I, были проведены небольшие ремонтные работы.
В 1888 году, при католикосе Макаре I Техутци (1885–1891 гг.), был обновлен интерьер храма.
В 1914 году, при католикосе Геворге V Суренянце (1911–1930 гг.), вновь были отреставрированы интерьер храма, колокольня и южный алтарь.
В 1945–1954 годах, при католикосе Геворге VI Чорекчяне, собор был отремонтирован и обновлен.
В 1955–1959 гг., в начале правления католикоса Вазгена I Палчяна (1955–1994 гг.), проводились реставрационные работы, археологические раскопки под Главным алтарем; в 1981–1982 гг. были обновлены-отреставрированы фрески и заново оформлено музейное помещение храма. В 2001–2008 гг., при Католикосе Всех Армян Гарегине II, на пожертвования известных американских благотворителей армянского происхождения, Ричарда и Луиз Манукянов, было произведено полное обновление кровельных покрытий, фресок интерьера, отремонтированы пол в молитвенном зале, цоколи, музейное помещение, Престол Сошествия и поврежденные нижние части надгробий католикосов. С 2012 года по настоящее время ведутся комплексные работы по капитальному ремонту Кафедрального собора, которые планируется завершить в 2024 году.