Строительство собора связано с именем царя Трдата III и католикоса святого Григория Просветителя. По преданию, Трдат III приказал забросать камнями 35 сестер-инокинь, после чего сошел с ума. Один из заключенных христиан по имени Григорий (ставший известным под именем Григорий Просветитель) вылечил его и обратил в христианство, после чего примеру своего правителя последовало все население Армении. Согласно легенде место для храма было указано Григорию Просветителю самим Иисусом Христом, откуда и происходит название[2]. Прежде же здесь проводились языческие обряды и поклонения местным богам.

Возведенный в IV—V веках собор считается одним из древнейших христианских соборов в мире. За всю свою историю он претерпел множество реконструкций. Первоначально, как и другие храмы, он представлял собой прямоугольное здание, но позже был перестроен в центрально-купольный собор. Со временем здание дополнилось колокольней, ротондами, ризницей и другими постройками.