Первое упоминание о деревянной церкви в честь иконы Божией Матери «Знамение» в Тюмени относится к периоду между 1624 и 1659 годами. Этот храм сгорел во время городского пожара 1697 года. На его месте была построена новая деревянная церковь, которая также была уничтожена пожаром в 1766 году.
В 1768 году началось строительство каменного храма на месте сгоревшей церкви. Основные работы были завершены к 1786 году, а освящение состоялось 9 сентября 1801 года. Первоначально здание включало в себя основной храм, притвор с двухъярусной колокольней, трапезную и крыльцо с круглыми колоннами. Крыша, купол и ограда были деревянными.
В последующие годы храм неоднократно подвергался реконструкциям и расширениям. В 1820 году была заменена крыша, а в 1821 году деревянная ограда заменена на каменную с чугунными решётками. В 1839 году был залит новый каменный фундамент. В декабре 1850 года был утверждён план реконструкции, предусматривавший расширение и переделку храма из холодного в тёплый. Реконструкция осуществлялась на средства тюменского купца Ивана Васильевича Иконникова. В ходе работ северный придел был разобран, построен южный во имя святителя Иоанна Златоуста, завершённый в 1855 году и освящённый 13 ноября того же года.
В конце XIX века придел Иоанна Златоуста сгорел и был восстановлен в 1901 году на средства екатеринбургского купца Михаила Ивановича Иванова. В этот же период были пристроены два новых придела: в честь иконы Божией Матери «Скоропослушница» и во имя святителя Николая Чудотворца. Над трапезной был сооружён купол, а колокольня увеличена на один ярус.
В 1913 году Знаменская церковь получила статус собора. После революции 1917 года священнослужители подверглись гонениям. 16 декабря 1929 года собор был закрыт, здание передано под городской клуб физкультурников, затем использовалось как пересыльная тюрьма и машинно-тракторная станция.
В период с 1933 по 1941 год здание было возвращено верующим, но в годы Великой Отечественной войны вновь использовалось для размещения военнослужащих. 9 октября 1945 года, согласно постановлению Совета Народных Комиссаров № 1325 от 28 ноября 1943 года «О порядке открытия церквей», собор был вновь передан для проведения богослужений.
