Первое деревянное здание храма на месте будущего Знаменского храма было освящено 24 июня 1754 года во имя святых и праведных Захария и Елисаветы. К приходу церкви были приписаны горожане и жители 11 деревень. К 1772 году здание обветшало, и в 1778 году была построена новая деревянная церковь по проекту архитектора И.И. Черницына, ученика И.И. Ползунова.
В 1844 году архитектор Турский представил проект каменного храма, который не был реализован. В августе 1852 года по ходатайству барнаульских мещан Василия Мушникова, Алексея Суслонова и крестьянина Степана Левягина была получена грамота от епископа Томского и Енисейского Афанасия на возведение каменного храма с тремя приделами: во имя иконы Знамения Божией Матери, святых Захария и Елисаветы и Николая Чудотворца. Закладка храма состоялась в 1853 году, строительство завершено в 1858 году. Храм был построен в русско-византийском стиле с трехъярусной колокольней.
В 1916 году рядом с храмом была построена каменная часовня в память 300-летия дома Романовых. В 1923 году Знаменский храм стал кафедральным собором Барнаульской епархии. В 1933-1936 годах в храме служил архиепископ Иаков (Маскаев), впоследствии расстрелянный. В 1937 году храм был закрыт, купола и колокольня разрушены, здание переоборудовано под архив.
В конце 1992 года храм возвращен Русской Православной Церкви. В 1994 году при храме был образован женский монастырь. С 1994 по 1998 год проводились восстановительные работы: были освящены главный престол (1996), Никольский придел (1997) и придел святых Захария и Елисаветы (1997). С 2008 по 2014 год осуществлялась реставрация с целью воссоздания первоначального облика храма, включая восстановление пяти куполов и колокольни.
При монастыре действуют воскресная школа, иконописная мастерская, музей, посвященный истории Богородице-Казанского монастыря. В храме находятся святыни: икона преподобномученицы Елисаветы с частицей мощей, Иверская икона Божией Матери, икона Божией Матери «Знамение».
