История Ахтырского храма, ныне кафедрального собора г.Орла, уходит в глубь веков. Еще в начале XVI века по преданию на его месте стояла Пятницкая церковь, по имени которой и получила позднее свое название Пятницкая слобода — прилегающая к церкви местность. Рядом с храмом находился погост, а чуть выше — небольшая торговая площадь, где жители окрестных сел и деревень вели торги. В начале XVII века, в Смутные времена, слобода, как и крепость Орел, была сожжена, эти места пришли в запустение.
С восстановлением крепости и возрождением города Орла вновь образовалась и Пятницкая казачья слобода. В переписной книге посадских дворов за 1678 год упоминается уже Никитская церковь, построенная на месте прежнего храма на Пятницком погосте. Было и особое служение у этого храма: на Пятницком погосте стоял, кроме церкви, дом, куда в течение зимы сносили трупы замерзших, утонувших, погибших от голода нищих и оставляли там до весны, а в четверг на 7-ой неделе после Пасхи туда сходился народ и священники совершали над умершими общее отпевание, а затем их хоронили в общей могиле.
Шли годы, к началу XVIII века границы России продвинулись далеко на юг, и Орел из пограничного оборонного пункта стал превращаться в благоустроенный, крупный город. К концу века Никитский храм значительно обветшал, его разобрали и встал вопрос о строительстве нового храма. Осуществилось это дело при следующих обстоятельствах.
В 1773 году торговавший лошадьми в г. Ахтырке (Харьковская губерния) орловский купец Константин Семенович Пастухов получил исцеление от многолетней болезни по молитве перед чудотворной Ахтырской иконой Божией Матери, прославившейся в то время многочисленными чудесами и почитаемой по всей России. Для нее был построен величественный каменный собор в Ахтырке. Вернувшись в Орел, Константин Семенович обратился к епархиальному начальству за благословением на постройку каменного храма в честь Ахтырской иконы Божией Матери на Пятницком погосте. Разрешение было получено, и в том же году приступили к строительству.
Вскоре она уже не вмещала всех прихожан. В 1786 году храм расширили и устроили еще один придел в честь святого великомученика Никиты. Город к этому времени разросся, Ахтырская церковь с кладбищем при ней оказалась в черте города, кладбище было закрыто, а храм стал приходским.
В 1803 году вновь были произведены строительные работы в храме, в результате которых подняли своды главного алтаря, а также устроили и освятили новый придел в честь Казанской иконы Божией Матери. В 1823 году была построена высокая четырехъярусная колокольня. Первоначально она стояла отдельно от храма, но в 1870 году по проекту архитектора И. П. Лутохина трапезную удлинили и соединили с колокольней. В таком виде храм предстает и ныне. В 1875 году вокруг церкви была поставлена ограда, уничтоженная перед Великой Отечественной войной.
Причт храма состоял из двух священников, диакона и двух псаломщиков. К приходу были приписаны 275 дворов, более 1000 человек. При храме было 2 церковных дома — каменный и деревянный, а также свечная лавка на рынке. В октябре 1897 года стараниями церковного старосты М. М. Борзенкова при храме была открыта церковно-приходская школа, в которой обучались около сорока детей. Обучение было бесплатным. Первым заведующим школы и законоучителем стал священник Василий Леонов.
После революции храм, его священнослужителей и прихожан постигли скорбные испытания, обрушившиеся на Русскую Православную Церковь. В период «изъятия ценностей», наряду со многими иконами, был конфискован большой серебряный крест — древняя святыня храма, насчитывающая около 500 лет. По решениям Губисполкома в Орле с 1921 по 1923 годы были закрыты 2 монастыря и 17 церквей. Ахтырской церкви, можно сказать, «повезло», она была закрыта по решению ВЦИК Орловской области 3 февраля 1938 года. Церковь использовалась не по назначению всего 4 года. В этот период она была превращена в зернохранилище. 15 марта 1942 года, во время оккупации города Орла, храм был открыт и в дальнейшем уже не закрывался.
При освобождении Орла в 1943 году на колокольне Ахтырской церкви ранним утром 5 августа был водружен один из первых красных флагов.
В 1962 году Святейшим Патриархом Алексием I (Симанским), по ходатайству митрополита Орловского и Брянского Антония (Кротевича), Ахтырскому храму был присвоен статус кафедрального собора. В 1986 году в нем были произведены большие реставрационные работы: стены и потолок расписаны художником Федором Гладковым на библейские сюжеты; пол выложен мраморными плитками; центральный иконостас, высотой около 14 метров, украшен резьбой и позолотой. Был осуществлен и большой наружный ремонт здания: восстановлены изначальные формы куполов и шпиля колокольни, произведены работы по восстановлению кирпичной кладки барабанов четверика. Главки храма, купол и шпиль колокольни с крестами были покрыты листовой медью и позолочены.
В июне 2008 года по благословению Преосвященнейшего епископа Орловского и Ливенского Иеронима Кафедральным собором епархии определено было быть Смоленскому собору. Однако за Ахтырским собором по благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II также закреплен статус Кафедрального собора.
В июне 2009 года, по благословению Архиепископа Орловского и Ливенского Пантелеимона, кафедра Орловско-Ливенской епархии вновь перенесена в Ахтырский собор.