Согласно грузинским летописям, собор в Манглиси был заложен в 326-м году.
В это же время по распоряжению римского императора Константина Великого (272-337), в Грузию были отправлены реликвии для укрепления новой веры (христианство стало «законной» религией в Римской империи в 313 году).
Одна из таких привезенных реликвий — частица Животворящего Креста Господня — была помещена именно в Манглиси и хранилась в храме до 620-ых годов.
Это сделало храм одним из первых паломнических центров Кавказа.
Первоначально храм имел форму тетраконха — центрического сооружения с четырьмя апсидами, образующими крест.
Такая архитектурная форма была характерна для раннехристианского мира.
После арабского завоевания Тбилиси (736 г.), собор постепенно ветшал, к X веку здание нуждалось в серьёзной реконструкции.
Поэтому, в эпоху усиления Грузинского царства, храм был радикально реконструирован.
Перестройку относят к периоду правления царя Георгия I (996-1027) и особенно — Баграта IV (1018-1072).
Тогда в соборе поменяли купол, украсили фасад, а изнутри расписали: здание получило свой современный вид.