Покровский собор построен в 1671–1679 гг., он строился одновременно с Мостовой башней. В одном из документов Приказа тайных дел за 1673 г. перечисляются материалы, которые нужно доставить «в село Измайлово к строению соборной церкви Покрова Пресвятые Богородицы, и к башенному делу, и мостовому делу»: «песку 500 коробов, 300 камней белых длиною по полтора аршина, 500 досок кружальных, 4500 дерев подвязных, 4000 тесин, 1000 лубов да 300 ужиц».
Строили собор мастера-каменщики из костромских и ярославских сёл, а возглавлял строительство московский «подмастерье каменных дел» стрелец Иван Кузнечик, руководивший также возведением Мостовой башни.
Лаконичная и величественная архитектура собора характерна не столько для XVII в., сколько для более ранней эпохи. Вероятно, образцом для него послужил Успенский собор в Кремле, построенный в XV столетии. Однако зодчий, работавший в Измайлове, творчески переосмыслил старые формы и создал самобытное и очень выразительное сооружение.
Покровский собор Измайлова представляет собой монолитный основной объём, увенчанный мощным пятиглавием, причём высота подкупольных барабанов с главами и крестами составляет половину всей высоты собора. Стены разделены на три части сдвоенными полуколонками и заканчиваются тремя полукружиям закомар. Среднюю часть фасада украшает крыльцо с резными столбиками и высокой бочкообразной кровлей.
Яркое своеобразие придаёт Покровскому собору богатейший изразцовый декор. Полукружие средней закомары облицовано изразцами с крупным контрастным узором, который назывался «павлинье око». Боковые закомары украшены изразцами более приглушённых тонов с более мелким рисунком из полевых цветов — ромашек, гвоздик, львиного зева. Кайма шириной в один изразец, с тем же «павлиньим оком», идёт у основания глав и опоясывает основной объём под закомарами. Эти изразцы были изготовлены в 1673 г. известными мастерами, выходцами из Белоруссии — Степаном Ивановым по прозванию Полубес (узор «павлинье око» — его изобретение) и Игнатом Максимовым.
Внутреннюю отделку собора выполняли живописцы и резчики московской Оружейной палаты, над иконостасом работали московские, ярославские, костромские иконописцы и иконописцы-монахи из Троице-Сергиева монастыря. Храмовая икона Покров Богоматери была написана известным московским мастером Фёдором Зубовым.
30 сентября 1679 г. Покровский собор был освящён патриархом Иоакимом в присутствии царя Фёдора Алексеевича.
Когда Измайлово пришло в запустение, собор тоже запустел и начал разрушаться. В 1812 г. его разграбили французы, а в 1828 г. он был упразднён. После передачи Измайловской усадьбы богадельне к собору, по проекту К. Тона были пристроены два жилых корпуса с северной и южной стороны, а третий возведён у алтаря. Конечно, пристройки нарушили первоначальный облик Покровского собора, но в то же время они стали опорой, не давшей собору разрушаться дальше. К.А. Тон сделал всё возможное для спасения старого здания: укрепил его фундамент, соединил металлическими скобами края многочисленных трещин, перекрыл сгнившую крышу. В 1849 г. собор был вновь освящён.
После революции собор закрыли. В 1970-х гг. Покровский собор был отреставрирован, а в 1990-х снова стал действующим. Недавно в Покровский собор Измайлова были возвращены десять икон из старого иконостаса, чудом сохранившиеся и сильно повреждённые. Сейчас они реставрируются.