С 1917 года начался самый трагический период в истории русской церкви. Борьба с религией стала частью политики пришедших к власти большевиков. Одним из первых был издан «декрет о земле», объявивший о национализации всех церковных земель. Затем последовали другие, лишавшие юридической силы церковный брак, отделявшие церковь от государства и школу от церкви. Преподавание религии в школах оказалось под запретом, как и, в целом, религиозное воспитание. Сразу же после победы революции начались аресты священнослужителей и деятельных православных людей. Их ссылали на тяжелые работы, в лагеря, в тюрьмы. Многие приняли мученическую кончину. Монастыри и храмы подверглись поруганию: были разграблены, закрыты, разрушены, превращены в склады или кинематографы.
Скорбная участь выпала и на долю Екатерининского собора. В период гражданской войны 1918 – 1920 гг. зданию собора был причинен значительный ущерб. С колокольни снарядом сорвало шпиль и крест, пробило насквозь кровлю. Северные стены храма пострадали от обстрелов. Церковные дома и лавки Екатерининского собора были частично утрачены в результате пожаров, а уцелевшие – национализированы большевистской властью. К 1920 году в распоряжении Екатерининского собора остался лишь дом настоятеля.
Храм неоднократно подвергался разорению. В 1919 году собор лишился наиболее значимых и дорогих предметов искусства. В 1922 году в соответствии с декретом ВЦИК об изъятии церковных ценностей для нужд голодающих из храма были вывезены культовые предметы из драгоценных металлов общим весом около 39 кг 800 г серебра. В 1925 году государство стало претендовать уже и на другую церковную утварь, обладающую историко-археологическим и художественным значением. Определением ценности предметов искусства занимались научные сотрудники Ленинградского отделения Главнауки.
К числу значимых святынь собора можно отнести Соборную Плащаницу, являвшуюся, по преданию, вкладом императрицы Екатерины Алексеевны, а также местный образ Св. Екатерины и икону Распятия с мощами. Особой любовью и почитанием прихожан была окружена икона Тихвинской Божией Матери – копия Чудотворной. Она была украшена привесками в память чудесных исцелений и бархатною ризой с драгоценными камнями. Другой уникальный образ Богоматери с Младенцем – «Млекопитательница». Кормящая грудью Богородица встречается в русской иконописи не часто. Икона была исполнена маслом на доске большого размера. Образ имел очень редкую и интересную иконографию, которая не совпадала с канонической иконой «Млекопитательница», хранящейся в Хилендарском монастыре на Афоне. На иконе из Екатерининского собора в руках младенца Иисуса – плод граната, символизирующий воскрешение и бессмертие. Особенности письма позволяют отнести эту икону к середине – второй половине XVIII века. Таким образом, она вполне могла попасть в Екатерининский собор из старого городского храма Ямбурга.
По всей видимости, перечисленные предметы, как и многие другие, состояли на учете в Главнауке как особо ценные. Предположительно, они могли оказаться после закрытия храма в запасниках ленинградских музеев.
Решение о закрытии Екатерининского собора было принято 2 декабря 1931 года. Ликвидировав приход, местная власть отдала церковное здание 12-му Туркестантскому полку. Военные обнесли храм забором и ограничили вход на его территорию гражданским лицам. «Согласно предписанию, здание Екатерининского собора должно было использоваться под клуб, – сообщает в своем исследовании искусствовед А. Белобородов. – Но неудобное расположение полкового “храма культуры” на территории части могло существенно ограничить разнообразие досуга красноармейцев. По всей видимости, клуб никогда не размещался в закрытом Екатерининском соборе. В пользу этой версии говорят фрагменты фресок и живописные полотна на парусах храма, сохранившиеся в разрушенном соборе в послевоенное время. При размещении в здании собора полкового клуба религиозная живопись была бы закрашена. Известно, что в 1934 году клуб Туркестантского полка располагался в только что достроенном здании Ратуши. В предвоенные годы в Екатерининском соборе были размещены воинские склады».
В годы Великой Отечественной войны собор сильно пострадал от артобстрелов. Оказался полностью разрушен центральный купол храма и снесен до основания третий ярус колокольни. Стены были испещрены следами пуль и осколками снарядов. Таким Екатерининский собор простоял более двадцати лет.
В послевоенные годы на площади перед разрушенным храмом расположился колхозный рынок. Руины собора не были ограждены забором, поэтому любой желающий мог свободно попасть на территорию разоренной церкви. Лишенный всякой защиты храм оказался под угрозой расхищения на кирпич, в виду острой нехватки строительных материалов в послевоенное время. В июне 1952 года местные власти приняли решение оградить руины церкви, что имело определяющее значение для дальнейшей судьбы Екатерининского собора.
Вопрос о восстановлении храма, как уникального архитектурного памятника, был поставлен в 1958 году. Однако эта инициатива встретила осуждение со стороны районных властей. Идея проведения в храме реставрационных работ пришлась им не по вкусу. В свою очередь, они предложили в рамках благоустройства города ликвидировать поврежденный войной собор, а строительным мусором, оставшимся от сноса храма, засыпать расположенную рядом низину.
Как только об этом стало известно широкой общественности, началась борьба горожан за спасение Екатерининского собора. Наиболее деятельное участие в этом противостоянии принял краевед Д.И. Смольский, возглавивший ряды не согласных со сносом храма. В защиту Екатерининского собора было отправлено письмо Министру культуры СССР Н.А. Михайлову. Ожидая решения в пользу сохранения архитектурного памятника, Смольский и его единомышленники поочередно дежурили в храме, где по приказу властей уже была заложена взрывчатка. Они сторожили руины церкви до тех пор, пока не пришла директива о запрещении взрывных работ. Благодаря слаженным действиям Д.И. Смольского и его товарищей удалось предотвратить гибель Екатерининского собора. Вскоре храм получил статус объекта культурного наследия федерального значения. А в 1965 году его руин коснулись руки реставраторов.