Первое упоминание о Знаменской церкви в Тюмени относится к периоду между 1624 и 1659 годами. Первоначально это было деревянное здание, которое сгорело в городском пожаре 1697 года. На его месте была построена вторая деревянная церковь, также уничтоженная пожаром в 1766 году. В 1768 году началось строительство каменного храма, завершившееся в 1786 году. Освящение храма состоялось 9 сентября 1801 года.
Архитектурный облик храма представляет собой образец сибирского барокко. Первоначальная каменная церковь включала крыльцо с колоннами, притвор с колокольней, трапезную и главный храм. В трапезной находился тёплый придел во имя святителя Иоанна Златоуста, предназначенный для зимних богослужений, тогда как главный Знаменский храм использовался в летний период. Крыша, купол и ограда первоначально были деревянными.
В течение XIX и начала XX веков храм подвергался реконструкциям и расширениям. В 1850 году был утверждён план реконструкции, предусматривавший расширение и переделку церкви из холодной в тёплую. Реконструкция осуществлялась на средства тюменского купца Ивана Васильевича Иконникова. В 1901 году на средства екатеринбургского купца Михаила Ивановича Иванова к церкви были пристроены два придела — в честь иконы Божией Матери «Скоропослушница» и во имя святителя Иоанна Златоуста.
После революции 1917 года и установления советской власти храм был закрыт 16 декабря 1929 года. Здание использовалось под различные нужды, включая размещение городского клуба физкультурников, пересыльной тюрьмы и машинно-тракторной станции. В период с 1933 по 1941 годы церковь была передана верующим, но в годы Великой Отечественной войны в ней размещались военнослужащие. Согласно постановлению Совета Народных Комиссаров от 28 ноября 1943 года, храм был вновь передан под культовые нужды 9 октября 1945 года.
В 1994 году в соборе впервые за много лет прошёл Крестный ход. В 2003 году на средства прихожан были заменены купола и кресты. В настоящее время Знаменский собор является кафедральным собором Тобольской митрополии Русской Православной Церкви. Он представляет собой сложное, но целостное сооружение, являющееся редким образцом сибирского барокко.
Главной святыней собора является икона Божией Матери «Знамение». С 1852 года тюменский образ Божией Матери «Знамение» стал почитаться как чудотворный и был перенесён за правый клирос в новый резной киот. В 1848 году, во время эпидемии холеры, по инициативе жителей икона была вынесена из храма и носима по домам для молебнов, после чего эпидемия начала отступать. С тех пор икона признаётся чудотворной.
