Первое упоминание о церкви на этом месте датируется 1676 годом, когда она именовалась Преображенской и находилась в пределах Воронежского кремля. Согласно архивным данным, в 1741 году священник Михаил Феоктистов обратился к епископу Иоакиму с просьбой разрешить строительство каменного храма взамен обветшавшей деревянной церкви. Строительство началось в 1744 году и завершилось в 1755 году. В 1750 году был освящён придел во имя святителя Николая Чудотворца, а в 1777 году — придел в честь Смоленской иконы Божией Матери.
В XIX веке храм подвергался нескольким перестройкам. В 1841 году была расширена трапезная с алтарями, переделаны своды. В 1851 году выстроен новый главный алтарь. В 1854 году в старой колокольне обнаружились трещины, и было принято решение о её реконструкции. Проект новой четырёхъярусной колокольни был разработан военным инженером Егором Харитоновичем Гиацинтовым и утверждён императором Александром II в 1857 году. Однако в ходе строительства колокольня была снижена до двух ярусов. Вокруг церкви была возведена ограда, а в 1880 году установлены новые иконостасы. В конце XIX века рядом с церковью была построена каменная богадельня и открыта приходская школа грамоты.
В начале XX века приход церкви насчитывал более ста дворов. Священники храма также преподавали в различных учебных заведениях города. С 1913 года священник Тихон Дмитриевич Попов занимал кафедру богословия в Сельскохозяйственном институте и был избран депутатом в четвёртую Государственную Думу.
В 1930-х годах храм был закрыт, здание использовалось как хранилище документов госархива и типография. Колокольня и купол были усечены. Во время Великой Отечественной войны здание пострадало. В 1944 году церковь находилась в ведении НКВД.
В конце 1993 года храм был возвращён епархии, и 19 ноября 1995 года в нём состоялась первая служба. В июле 1997 года, во время восстановительных работ, на территории церкви были обнаружены останки жертв красного террора. В настоящее время продолжается восстановление храма: восстанавливается иконостас, обустроен придел во имя Смоленской иконы Божией Матери. При храме действуют воскресная и музыкальная школы, православная библиотека.
Архитектурно храм представляет собой здание, состоящее из частей, построенных в различное время. Объёмы середины XVIII века выполнены в формах барокко, пристройки XIX века — в формах русско-византийской архитектуры. Храм увенчан двумя куполами: над главным приделом высотой 23,53 м и над колокольней высотой 28,8 м.
