Строительство собора началось 26 августа 1861 года и завершилось в 1878 году.Собор был возведен по образцовому проекту архитектора К.А. Тона, первоначально разработанному для Задонского монастыря, с внесением некоторых изменений.
Архитектурно собор выполнен в русско-византийском стиле. Здание представляет собой двухуровневую конструкцию с нижним зимним храмом и верхним летним. Колокольня собора, состоявшая из пяти ярусов, была разрушена в 1930-х годах.
В 1924 году собор был закрыт, а в 1938 году колокольня разобрана. В здании храма разместили продуктовый склад Данковского райпищеторга.