Храм построен в 1736 году на месте деревянной церкви, упоминаемой в книгах 1615 г. в числе семи первых церквей Воронежа.
Правый придел в трапезной части в честь Сретения Господня освящен в 1748 г., возобновлен в 1779 г. Левый придел в трапезной части в честь иконы Божией Матери «Знамение» устроен в 1796 г. Невысокая трехъярусная колокольня появилась в 1791 г. Вместо разобранной храмовой части сооружена новая с ионическим портиком и широким барабаном в 1833-1841гг. В 1845 году перестроенная церковь освящена святителем Антонием (Смирницким), архиепископом Воронежским.
В 1948 г. возобновлено богослужение, храм стал кафедральным собором. После реставрационных работ 30 сентября 2012 года собор освящен митрополитом Воронежским и Борисоглебским Сергием в сослужении епископа Острогожского Андрея, викария Воронежской епархии.