Первоначально, после освобождения крепости Орешек от шведских войск в 1702 году, по указу Петра I на этом месте была построена деревянная церковь во имя Благовещения Пресвятой Богородицы. Однако к 1725 году эта церковь обветшала и была разобрана. В 1726–1727 годах на её месте была возведена новая деревянная Благовещенская церковь, которая была освящена 7 октября 1728 года. В 1756 году этот храм сгорел.
В 1763 году на средства полковника А. Белова и дворян Сибилевых началось строительство каменного храма в стиле русского барокко. Строительство было завершено в 1764 году, и 8 августа того же года собор был освящен. Первоначально здание имело деревянные перекрытия и главу, которые были заменены на каменные в ходе реконструкции 1788–1795 годов. В этот период также была пристроена колокольня.
В 1864 году храму был присвоен статус собора. В 1877–1882 годах под руководством архитектора Г. И. Карпова был проведен капитальный ремонт, в ходе которого были заменены кровля собора и шпиль колокольни. В 1900 году по проекту инженера Рехенбахера в соборе было устроено печное отопление.
В 1935 году собор был закрыт, и его здание использовалось под различные хозяйственные нужды, включая складские помещения. Во время Великой Отечественной войны здание собора сильно пострадало от обстрелов. После войны в 1960-х годах были проведены частичные реставрационные работы по проекту архитектора А. Н. Милорадовича.
В 1989 году храмовый комплекс Благовещенского собора был передан в безвозмездное пользование Русской Православной Церкви. С этого времени начались работы по восстановлению и реставрации собора. В настоящее время на территории храмового комплекса ведутся ремонтно-реставрационные работы.
