История храма восходит к XVIII веку. В 1779 году была освящена новая деревянная церковь в честь Покрова Пресвятой Богородицы. С обретением Бирючем статуса уездного города и центра благочиния, Покровская церковь стала соборной. К середине XIX века деревянный собор обветшал и уже не вмещал прихожан разросшегося города. В 1832 году было получено благословение Святейшего Синода на сбор пожертвований для постройки нового, каменного собора. К празднику Покрова 1838 года собор был построен. Его расписывали лучшие иконописцы города и губернии, в частности, художники братья Житниковы, имевшие в Бирюче иконописную мастерскую. В 1862 году при Покровском соборе открылся класс богословия Воронежского архиерейского училища, а в 1902 году соборные священники стали преподавать Закон Божий в открывшейся при Успенском храме церковно-приходской школе.
После революции собор подвергся поруганию. В 1922 году изъяты все ценности, а клир был разогнан за отказ перейти в "обновленчество". В 1961 году здание собора было переоборудовано для районного Дома культуры: купола и колокольня были снесены, надстроена крыша, пристроен вестибюль с кинопроекционной, с западной стороны — котельная. Подвальные помещения частично засыпаны мусором. Храмовая часть церкви была переоборудована в актовый зал с балконом. Дом культуры просуществовал в здании до 2004 года.
При подготовке к юбилею города Бирюча (с сентября 2004 года по август 2005 года) проведена реконструкция собора, построена трехъярусная колокольня. Освящение восстановленного храма состоялось 11 сентября 2005 года.
