Собор был построен в 1684 году псковскими зодчими Ф. Григорьевым, Г. Анисимовым на месте одноименной церкви начала XVI в. Именно эта церковь дала название Знаменскому монастырю, основанному во владениях бояр Романовых первым русским царем из этой династии Михаилом Федоровичем. В нем находилась главная святыня монастыря - родовая икона семьи Романовых «Знамение Божьей Матери Новгородской» (XVI в.).
Храм встал на косогоре, и для укрепления фундамента в землю уложили 2,5 тысячи дубовых свай. После пожара 1668 года храм, как и весь монастырь, сильно пострадал. Восстановлен в 1670-1680-х гг. на средства боярина И.М. Милославского.
Через некоторое время постройки Знаменского монастыря начали разрушаться из-за движений грунта. Есть мнение, что Петр I после Стрелецкого бунта возненавидел царевну Софью и Милославских и прекратил финансировать обитель. А когда столицу России перенесли в Петербург, Знаменский монастырь и бывшие царские палаты стали ветшать. Монастырь не получал содержание. В итоге к 1730 году Знаменский монастырь так обвешал, что его здания могли рухнуть в любой момент. В стенах обители едва теплилась жизнь, когда в 1740 году настоятелем Знаменского монастыря стал владыка Иосиф. Он сумел найти средства на роспись Знаменского собора. А в 1743 императрица Елизавета посетила родовое имение во время коронации и выделила деньги на обновление монастырских построек и старых царских палат.
Мирное течение монастырской жизни нарушила война 1812 года. Монастырский казначей Мефодий успел вывезти самые ценные реликвии в Вологду. То, что осталось в Знаменской обители, разграбили и уничтожили наполеоновские солдаты. Сама обитель уцелела, так как в царских палатах остановился французский провиантмейстер, который раньше находился на русской службе. В 1907 году здесь жили архимандрит, 9 монахов и 12 послушников…
После 1923 г. Знаменский монастырь закрыли; здания, в том числе собор, переоборудовали под жилье.
В связи со строительством гостиницы «Россия» в 1960-х гг. в Знаменском соборе были проведены реставрационные работы.
В советское время в Знаменском соборе бывшей Знаменской обители действовали лекторий и концертный зал. Главную святыню — Знаменскую икону — передали Иркутскому музею. В 1992 году в Знаменском соборе возобновили богослужения.