Синегорский Благовещенский собор был построен в октябре 1999 года на средства предприятия «Колымаэнерго» при участии его сотрудников. Храм освящен 7 апреля 2000 года епископом Магаданским Анатолием в честь Благовещения Пресвятой Богородицы. До его возведения в поселке существовал православный приход в честь Казанской иконы Божией Матери, располагавшийся по адресу ул. Молодежная, 5а.
4 декабря 2002 года приход прошел государственную регистрацию. В первые годы после постройки храм столкнулся с трудностями: из-за долгов было отключено отопление, что привело к разморозке здания и повреждению батарей. Восстановительные работы начались в 2007 году с назначением нового настоятеля. В этот период при храме открылась воскресная школа, был организован хор, проведен капитальный ремонт (2008) и обновлен иконостас (2009).
1 сентября 2011 года храму был присвоен статус второго кафедрального собора Магаданской епархии. Здание является однопрестольным. В разные годы настоятелями храма были священнослужители, чьи имена зафиксированы в клировых ведомостях епархии.