Первоначально на этом месте в 1724 году был возведен деревянный храм, который прослужил до 1773 года, когда был уничтожен пожаром. В 1780 году началось строительство нового каменного собора севернее прежнего деревянного. К 1786 году завершилось освящение главного престола, а в 1799 году была достроена колокольня. Архитектурный облик собора сочетал элементы барокко и классицизма: объемно-пространственная композиция и формы отражали барочные традиции, тогда как ордерные членения фасадов соответствовали канонам классицизма.
В 1846 году воронежский архитектор В. И. Егоров представил проект расширения собора. К 1855 году были завершены новые приделы: правый — в честь Павловской иконы Божией Матери «Знамение», левый — во имя святителей Митрофана и Тихона Воронежских.
В советский период собор был закрыт и подвергся значительным изменениям. В 1948 году здание передали под районный дом культуры, для чего были произведены реконструкции: разобраны широкий восьмерик над храмом и кровля со шпилем над колокольней, надстроена трапезная, устроена открытая терраса над алтарной частью, прорублены и оформлены порталы входов через апсиду и трапезную. Колокольня, являющаяся ярким примером архитектуры раннего классицизма, пострадала в меньшей степени.
К 2014 году, после открытия нового дворца культуры, возникли планы по восстановлению собора. Однако, по состоянию на 2025 год, здание продолжает использоваться в качестве районного дома культуры, и работы по его реставрации не завершены.
