В 1660 году на восточной стене Власьевской башни был написан образ иконы Божией Матери «Знамение». Этот образ стал объектом почитания среди горожан, которые, проходя через ворота башни, осеняли себя крестным знамением и возносили молитвы перед святыней. Позднее к башне была пристроена деревянная часовня, в которой постоянно горела неугасимая свеча. В 1736 году часовня была передана Афанасьевскому монастырю по указу архиепископа Иоакима.
В 1779 году деревянная часовня была заменена на каменную. В 1850 году, по инициативе настоятеля Афанасьевского монастыря Иннокентия, часовня была расширена и украшена внутренней живописью. В 1861 году на средства купца Арсения Ивановича Оловянишникова на месте часовни был возведён каменный храм, освящённый во имя иконы Знамения Богоматери. Храм остался приписным к Афанасьевскому монастырю. Однако вскоре церковь стала слишком тесной для прихожан, что потребовало её расширения.
В 1896 году викарий Иоанникий составил и согласовал с Городской думой план по расширению храма. Работы начались в апреле 1897 года и завершились 21 декабря того же года. Проект реконструкции был выполнен архитектором Александром Никифоровым. В ходе работ храм был увеличен на 6,4 метра в длину и на 8 метров в высоту. На храме была возведена одна глава с позолоченным куполом и крестом. Восточная наружная сторона храма была украшена масляными клеймами с изображением Господа Саваофа, окружённого херувимами и серафимами. Внутреннее пространство было переустроено: вместо прежнего тесного святого алтаря были устроены два новых алтаря с иконостасами и одним Святым престолом, обращённые на запад, так что написанная на стене икона Знамения Божией Матери находилась между алтарями. Работы по переустройству обошлись почти в 30 тысяч рублей, из которых 15 тысяч было потрачено на украшение образа Богоматери Знамение богатой серебряной ризой, осыпанной крупным жемчугом и драгоценными камнями.
В марте 1920 года храм был разграблен представителями советской власти: были вывезены ризы, лампады, кадила, священные сосуды и другие ценности. Летом того же года храм был передан обновленцам. В январе 1930 года обновленческий епископ Софония (Яскевич) попытался сохранить икону Божией Матери Знамение, обратившись в местный отдел Главнауки с просьбой поставить её на учёт как археологическую древность. Однако в марте 1932 года церковь была закрыта, и в ней разместили склад, затем культбазу Ярпищеторга, с 1942 по 1980 год — кинотеатр «Луч». С 1990 года здание было передано киностудии «Юность».
В 1990—1991 годах были проведены реставрационные работы под руководством архитектора-реставратора Семёна Новикова. В конце 1991 года была восстановлена церковная глава. В 2014 году храм был возвращён Русской Православной Церкви. 6 января 2015 года была проведена первая служба. С 2015 года церковь стала приходской. При храме действует молодёжное объединение, с 2017 года открыт молодёжный хор и воскресная группа для детей.
Архитектурно храм представляет собой надвратную церковь, встроенную в Власьевскую башню. Здание выполнено в псевдорусском стиле, характерном для конца XIX века. Фасад украшен декоративными элементами, включая масляные клейма и резные детали. Внутреннее убранство включает иконостасы и росписи, выполненные в соответствии с канонами православного искусства.
