В XVI веке на месте нынешнего монастыря располагался боярский двор Романовых, включавший домовую церковь, освящённую в честь иконы Божией Матери «Знамение». После воцарения Михаила Фёдоровича палаты на Варварке стали называться Старым Государевым двором. Существует две версии основания монастыря: по одной, он был основан в 1631 году в память кончины инокини Марфы, матери царя Михаила Фёдоровича; по другой — в 1629 году в честь рождения наследника престола. В монастырь была принесена родовая икона Романовых — икона Знамения Пресвятой Богородицы. В 1631 году патриарх Филарет издал указ о передаче древностей старой Знаменской церкви первому игумену монастыря — Герасиму, а в ноябре 1631 года по царскому указу поместья инокини Марфы перешли в монастырскую собственность. Несколько позже в монастыре была построена каменная церковь преподобного Афанасия Афонского.
В 1668 году монастырь сильно пострадал при пожаре, но вскоре был восстановлен. В 1679 году разобрали церковь преподобного Афанасия Афонского и на её месте решили построить каменный пятиглавый собор. В 1679–1684 годах на средства боярина Ивана Милославского мастерами Фёдором Григорьевым и Григорием Анисимовым был построен двухъярусный пятиглавый Знаменский собор. Верхний холодный храм был освящён в честь иконы «Знамение». Нижний тёплый храм был изначально освящён во имя Афанасия Афонского, позднее переосвящён во имя Сергия Радонежского, а его придел — в честь Николая Чудотворца.
Архитектурно собор представляет собой яркий образец московского барокко с элементами традиционного русского зодчества. Пятиглавый храм украшен кокошниками, наличниками и другими декоративными элементами, характерными для того времени. В конце XVIII века начинается новый период расцвета монастыря. Собор был расписан, его стены украсила лепнина.
В 1923 году монастырь был закрыт, а его помещения использовались под жильё. Находившаяся в соборе до его закрытия семейная икона дома Романовых «Знамение» (XVI в.) со святыми на полях попала в Иркутский музей. Собор находился в аварийном состоянии. Реставрировался в 1963–1972 годах по образцу храма 1684 года и использовался как концертный и лекционный зал Всероссийского общества охраны памятников истории и культуры.
