Целителя Пантелеймона всегда почитали в Одессе. С середины XIX века и до времен революции святой считался патроном железнодорожной станции Одесса-Товарная, служащие которой собрали немалые деньги на покупку иконы и серебряной свечи.
Вот уже 133 года (с 1876 г.) прошло с того момента, когда прибывшие с Афона монахи арендовали у одесского домовладельца г-на Николаиди домик, а затем на этом месте возникло Пантелеймоновское подворье. 9 мая 1893
года заложили строительство храма по проекту архитектора Н. Никонова. А уже 10 января 1896 года состоялось освящение одного из самых величественных храмов Одессы и всей Украины.
Великий храм во все времена имел громадное значение в жизни одесситов и паломников - сюда приезжал великий святитель Иоанн Кронштадтский. Не случайно постановлением от 26 января 1909 года Ново-Рыбная улица переименована в Пантелеймоновскую.
В годы послереволюционной России, когда у власти были
большевики, Пантелеймоновский монастырь, как и
множество других церквей, был закрыт, а в храме действовал планетарий. И только 22 сентября 1991 года храм с подворьем был возвращен верующим, что было тепло воспринято всеми жителями Одессы без различия национальностей и религиозных конфессий.
В соборе установлено 11 колоколов, отлитых на Воронежском колокольно-литейном заводе. Колокола
разнятся по размерам, самый маленький весит 5 кг, а самый большой - 1200 кг.