Первый деревянный храм в честь Покрова Пресвятой Богородицы был построен в станице Урюпинской в период с 1717 по 1740 годы. Однако его местоположение оказалось неудачным из-за близости к яру и подверженности засыпке песком. В связи с этим 28 апреля 1778 года церковь была перенесена на новое место, а в октябре того же года освящена.
В 1785 году, по инициативе и на средства прихожан, началось строительство каменного храма с трёхъярусной колокольней. Строительство завершилось, и 27 октября 1792 года церковь была освящена. Архитектура храма представляет собой образец раннего классицизма с элементами барокко, характерными для того периода. Вскоре после освящения в храм была перенесена чудотворная Урюпинская икона Божией Матери, что способствовало увеличению числа паломников и укреплению его значения в регионе.
При храме были открыты приходское училище и богадельня, что способствовало развитию образования и социальной поддержки населения станицы. В 1922 году, в ходе кампании по изъятию церковных ценностей под предлогом помощи голодающим Поволжья, из церкви были изъяты серебряные предметы богослужебного назначения. В последующие годы, в период антирелигиозной политики советской власти, храм подвергся значительным изменениям: в 1929 году были сняты колокола, включая самый большой весом 106 пудов, а в 1930 году церковь была официально закрыта.
Во время Великой Отечественной войны, в 1943 году, храм был вновь открыт для богослужений. С этого времени начался постепенный процесс его восстановления и возвращения к полноценной религиозной деятельности. В 2011 году была инициирована реставрация храма, направленная на восстановление его исторического облика и укрепление конструкций. В 2012 году, в связи с образованием Урюпинской епархии, храм получил статус кафедрального собора.
