Инициатором строительства выступил воронежский фабрикант Потап Никитич Гарденин, который в апреле 1735 года обратился к епископу Воронежскому Иоакиму с прошением о возведении каменной церкви во имя Пресвятой Богородицы Тихвинской с приделом во имя преподобных Онуфрия Великого и Петра Афонского.Местоположение храма было выбрано в Беломестной слободе, вблизи суконной мануфактуры Гарденина.
Строительство храма велось неспешно. 8 марта 1741 года был освящен верхний деревянный придел во имя святых Онуфрия и Петра. К 1746 году завершилось строительство всей церкви, которая со временем получила наименование Тихвино-Онуфриевской. В 1758 году деревянный придел во втором ярусе сгорел, при этом были повреждены даже каменные стены трапезной. К 1762 году наследники Гарденина восстановили храм, устроив два каменных придела в трапезной части: левый — во имя преподобных Онуфрия и Петра, правый — в честь трех вселенских святителей: Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоуста.
В конце XVIII века, в связи с увеличением числа прихожан, возникла необходимость расширения храма. В 1795 году была проведена перестройка, а в 1873 году придельные алтари были вынесены из трапезной и поставлены в один ряд с главным алтарем, что придало храму его окончательный вид. Колокольня храма, выполненная в стиле аннинского барокко, имела два яруса и высоту около 19,2 метра.
В 1893 году при храме была открыта церковно-приходская школа, размещенная в небольшом каменном здании. В начале XX века приход насчитывал более тысячи человек. В годы Гражданской войны, в конце 1919 — начале 1920 годов, на территории храма размещался концлагерь, в котором содержались несколько сотен человек.
В 1920-х годах богослужения в храме возобновились, однако в 1932 году он был окончательно закрыт, здание передано под производственные нужды. В этот период была разобрана двухъярусная колокольня. До начала 1980-х годов в здании храма находилась фабрика "Игрушка", что нанесло значительный ущерб его внутреннему убранству.
В середине 1980-х годов была начата реставрация храма под музей по проекту архитектора Ю.П. Атановой. Над трапезной частью появилась кровля, восстановленный купол увенчал кованый крест. В октябре 1990 года Тихвино-Онуфриевская церковь с прилегающим участком и постройками была возвращена епархии. 28 декабря 1991 года в храме прошло первое богослужение после длительного перерыва.
9 июля 2019 года митрополит Воронежский и Лискинский Сергий совершил Великое освящение главного и левого алтарей Тихвино-Онуфриевского храма, завершив тем самым многолетние реставрационно-восстановительные работы.
В настоящее время Тихвино-Онуфриевский храм является действующим приходом Воронежской епархии Русской Православной Церкви. Он выполняет функции духовного центра для жителей района, предоставляя возможность участия в богослужениях, таинствах и церковных праздниках.
При храме функционирует воскресная школа, где осуществляется обучение основам православной веры. Проводятся занятия для детей и взрослых, направленные на духовное просвещение и укрепление религиозных знаний.
Престольный праздник храма отмечается 9 июля, в день празднования Тихвинской иконы Божией Матери. В этот день совершаются торжественные богослужения, в которых принимают участие прихожане и гости храма.
