Строительство храма было инициировано в августе 1860 года государственными крестьянами пригородных слобод Станичной и Приворотной, которые обратились в Тамбовскую духовную консисторию с просьбой о возведении каменной церкви. В своем ходатайстве они указали на необходимость собственного храма из-за тесноты существующих церквей в праздничные дни. Первоначально планировалось строительство двухпрестольного храма во имя иконы «Знамение» Пресвятой Богородицы и преподобного Алексия, человека Божия. Благословение на строительство было получено от епископа Тамбовского и Шацкого Феофана (Говорова), ныне известного как святитель Феофан Затворник.
Строительство храма завершилось в 1869 году. Центральный престол был освящен в честь иконы Божией Матери «Знамение», южный придел — в честь Усекновения главы Иоанна Предтечи, северный — в честь Казанской иконы Божией Матери. Архитектурно собор выполнен в стиле эклектики с элементами русского стиля. Он представляет собой однокупольный храм с трехъярусной колокольней высотой 44 метра. Фасады украшены декоративными элементами, включая пучки полуколонн и аркатурные пояса.
В начале XX века, по преданию, император Николай II подарил храму резной позолоченный иконостас, являющийся дипломной работой выпускников Императорской академии художеств. Иконы для иконостаса были написаны в Санкт-Петербурге в стиле афонского письма.
В период советской власти храм продолжал функционировать, хотя и подвергся утрате большинства колоколов. Богослужения в нем не прекращались, что было редкостью для того времени.
