Строительство собора началось в 1817 году на средства жителей Воткинского завода. Проект был разработан архитектором Александром Ивановичем Постниковым. К 1818 году были завершены основные строительные работы, и в том же году освящены два придела в тёплой части храма: правый — во имя святителя Николая, левый — во имя святителя Димитрия Ростовского. Холодный храм собора был освящён 29 июля 1828 года архиепископом Вятским и Слободским Кириллом во имя Благовещения Пресвятой Богородицы. Освящение проходило на мощах великомученика и целителя Пантелеймона, часть которых была вложена в особом оловянном ковчежце к кресту под престолом.
В 1839 году по проекту архитектора Василия Птенкина была достроена колокольня. В 1841 году в связи с заменой иконостаса придельные престолы были вновь освящены: Николаевский престол — в честь Владимирской иконы Божией Матери, второй престол — в честь святителя Димитрия Ростовского. В 1845 году, после перестройки главного иконостаса, престол был вновь освящён 22 февраля с тем же названием — во имя Благовещения Пресвятой Богородицы.
В 1863 году храм был расширен по проекту архитектора Василия Петенкина, что было связано с увеличением числа прихожан и необходимостью замены обрушивающегося деревянного потолка. Престолы остались те же: главный — Благовещенский, правый — Владимирский, левый — Димитриевский.
В 1882 году при соборе было открыто церковно-приходское попечительство, на средства которого содержались женская церковно-приходская школа и церковный хор. Богатой библиотекой собора пользовались не только священнослужители, но и прихожане.
В 1840 году в Благовещенском соборе был крещён композитор Пётр Ильич Чайковский.
В 1929 году собор был закрыт, и в течение двух последующих лет по решению государственной комиссии здание подверглось разрушению: были спилены кресты, сброшен колокол, снесена колокольня, сбиты уникальные фрески, иконы использовались для отопления.
