В 1905 году было принято решение о строительстве мечети. В то время в городе проживало около 300 мусульман. Здание возвели менее чем за год, архитектура была оформлена в неомавританском стиле. Торжественное открытие состоялось в месяц Рамадан в 1906 году.
Во времена советской антирелигиозной пропаганды, как и все церкви в стране, храм закрыли, и в разные периоды времени использовали под разные нужды. Тверская соборная мечеть была возвращена мусульманской общине в 1992 году.