Инициатором возведения Александро-Невского собора был магистр богословия Санкт-Петербургской духовной академии, священник русской посольской церкви в Париже протоиерей Иосиф Васильев.

Храм был построен на средства от общественных сборов. Свой вклад внесли многие православные, начиная с императора Александра II, Святейшего синода, купцов Нижегородской ярмарки, куда специально ездил протоиерей Иосиф Васильев, и кончая русскими, жившими или приезжавшими в Париж, и православными других национальностей, греками, сербами или французами.

В сентябре 1861 года, в День святого Александра Невского, состоялось освящение собора, построенного по проекту профессора Санкт-Петербургской академии художеств Кузьмина, друга отца художника Поленова. «Они вместе были в Греции и Константинополе», — писал в письме к своим родным Поленов, посетивший собор в 1883 году в сопровождении Ильи Репина.

При возведении собора его «строители и благоукрасители» пользовались материалами, собранными архитектором Фоссати в 1847 году в Константинополе, где он проводил по приглашению султана Абдул Меджида реставрационные работы в соборе Святой Софии.

Орнаменты арок Александро-Невского собора воспроизводят некоторые из элементов украшений Святой Софии Константинопольской. Собор построен в так называемом русско-византийском стиле.

Фронтон центрального фасада когда-то украшала фреска художника Александра Бейдемана «Спаситель Благословляющий». Потускневшая от времени и непогод, она была заменена в 1956 году художником Максимилианом Герцели мозаичной копией Спасителя из храма Святого Аполлинария в Равенне.

Иконостас и фрески внутри собора принадлежат художникам Александру Бейдеману, Евграфу и Павлу Сорокиным, Федору Бронникову.

В правой части собора — Федоровская икона Божией Матери, список с иконы 1289 года, сделанный в России в 1807 году иконописцем Каменщиковым.

Здесь же находится икона "Вознесение Господне" — дар императора Александра II и императрицы Марии Александровны в «возблагодарение Господа за святой Его Покров и охранение в день 25 мая 1867 года». В этот день у водопада в Булонском лесу Антуаном Березовским было совершенно покушение на императора. Тогда же в Александро-Невском соборе был отслужен молебен, на котором, кроме русской императорской фамилии, присутствовали французский император Наполеон III с императрицей Евгенией.

Два полотна работы художника Боголюбова -«Проповедь Иисуса Христа на Тивериадском озере» и «Хождение по водам» — дар автора собору, сделанный им в 1872 году.

Алексей Петрович Боголюбов, внук писателя Александра Радищева, стал приближенным великого князя Александра Александровича, будущего императора Александра III, с тех пор как художник начал «наблюдать, на чем останавливался его выбор в покупке произведений искусства», а будущий император составлял коллекцию произведений национального искусства, ставшую основой для Русского музея в Санкт- Петербурге.

В соборе Св. Александра Невского обе картины Боголюбова на первый взгляд кажутся фресками, на самом же деле это наклеенные на стену ранее написанные полотна. По признанию художника, писать эти картины нужно было с большой сноровкой, потому что в церкви они были плохо освещены: «тень арок бросала на них полосатый свет», а также надо было принимать во внимание падающую на них тень. Сейчас Боголюбов остался бы доволен освещением своих картин — они в храме специально подсвечены.

В северной части храма — Крест-памятник убиенной в 1918 году царской семье, воздвигнутый по подписке Общества ревнителей памяти императора Николая II.

Во время своего пребывания в Париже в 1896 году император Николай II и императрица Александра Федоровна присутствовали на службе в Александро-Невском соборе.

В 1918 году в соборе состоялось венчание художника Пабло Пикассо с русской балериной Ольгой Хохловой; шаферами были Гийом Аполлинер, Макс Жакоб и Жан Кокто.

В соборе отпевали в 1883 году Ивана Тургенева, в 1938-м — Федора Шаляпина, в 1944-м — Василия Кандинского, в 1953-м — Ивана Бунина, в 1987-м — Андрея Тарковского и Виктора Некрасова.

В крипте собора находится нижняя церковь, устроенная протоиереем Иосифом Васильевым в 1863 году, где богослужение ведется на французском языке. Церковь расписана художниками Альбертом и Михаилом Бенуа. Иконостас работы Луи Рюбио был перенесен сюда из небольшой церкви во имя Святых апостолов Петра и Павла.