Самым значительным сооружением на площади был Александро-Невский собор, который решили построить в честь чудесного спасения Царской семьи в железнодорожной катастрофе на станции Борки 17 октября 1888 г. 22 октября этого же года Царицынская дума постановила на главной площади, где уже находилась небольшая часовня во имя этого святого, возвести собор во имя Александра Невского. Начался сбор средств, но он шел очень медленно, и только 22 апреля 1901 года, благодаря энергии, с которой взялся за это дело царицынский купец В. Н. Рысин, был заложен первый кирпич собора.

Архитектор собора А.А. Ященко спроектировал здание похожим на византийские храмы. (А так же на Оренбургский и Новочеркасский соборы).

Алексей Глазков, ученик Урюпинского реального училища, побывал В Царицыне в 1916 году, и оставил о соборе такие воспоминания: «Увидев издали куполы Александро-Невского собора, мы направились к нему. … В собор мы не зашли, так как отделка его еще не закончена и вход посторонним лицам не разрешен. Строится он уже 15 лет. Постройку предполагают закончить нынешнею осенью <…> [На другой день] мы, воспользовавшись разрешением городского головы, осмотрели Александро-Невский собор. Внутри собор почти закончен, иконы нарисованы почти везде. Особенно понравилась всем экскурсантам икона Рождества Христова».

Освящен был собор только в 1918 году. В конце 20-х годов прошлого века собор был закрыт и с него были сняты кресты и колокола, некоторое время над ним развевался красный флаг.  А 21 марта 1932 года в 17 часов 39 минут он уже был взорван. Взрыв был проведен профессионально, находящиеся рядом здания не пострадали. Взрывники за работу получили премии, а груду кирпичей и обломков через полгода начали развозить по городу. Оставшиеся обломки использовались в сентябре 1942 года при строительстве баррикад для защиты от фашистов.

Сейчас планируется воссоздать собор в затрибунной части площади Павших Борцов.