Храм в честь иконы Божией Матери «Знамение» в Арзамасе построен в 1801 году как зимняя церковь прихода Троицы Живоначальной. Архитектурный стиль здания отражает традиции барокко, характерные для церковного зодчества Арзамаса XVIII века. Композиция включает деревянный барабан с единственной главой, высокие арочные окна с декоративными наличниками.
Храм имел два придела: правый освящен во имя святых Гурия и Варсонофия Казанских, левый — во имя преподобного Феодосия Тотемского. Главный престол посвящен иконе Божией Матери «Знамение». Рядом располагался летний Троицкий храм (1824 г.), утраченный в советский период. В народе эти церкви именовались «Белая Троица» (приходская) и «Черная Троица» (монастырская).
В 1931 году храм закрыли, купол и барабан разобрали. В здании последовательно размещались планетарий, Народный дом обороны и отделение банка. В 1998 году здание возвращено Нижегородской епархии. Реставрационные работы проведены в 2004-2006 годах, включая установку трехъярусного резного иконостаса. 13 ноября 2010 года совершено освящение возрожденного храма.
С 2023 года храм приписан к Николаевскому женскому монастырю Арзамаса. Архитектурный ансамбль дополняют сквер с памятником А.В. Ступину — основателю Арзамасской школы живописи, и здание бывшего реального училища. Храм является объектом культурного наследия регионального значения (рег. № 521510214830005).
