Первый деревянный храм во имя Иконы Божией Матери «Знамение» в Елецком Знаменском женском монастыре был построен в 1770 году. Храм был выстроен силами монахинь на месте сгоревшей в 1769 году женской обители. В 1779 году святитель Тихон Задонский, посетивший Знаменскую обитель, указал место строительства каменного соборного храма. Сёстры, укреплённые благословением Святителя, в конце 18 века приступили к постройке нового собора. В это время была заложена храмовая часть в классическом стиле, с большою квадратною в плане световою главой со срезанными углами, с шестиколонными портиками по сторонам, больше похожая на светское сооружение. В 1805 году был освящён первый престол новой соборной церкви, а полное его освящение состоялось в 1813 году. Придельный престол с правой стороны был освящён во имя святителя Дмитрия Ростовского, левый – во имя преподобного Варлаама Хутынского и святителя Тихона Задонского.
В 1829 году начата постройка большой трёхнефной каменной трапезной Знаменского собора, в нижнем этаже которой была устроена двухпрестольная тёплая церковь. Тогда же возник вопрос о строительстве каменной колокольни. Было решено не пристраивать её к храму, а выстроить в западной стороне обители.
В 1837 году была заново оштукатурена внутри нижняя тёплая церковь. В правом её приделе был поставлен новый иконостас, а через год, в 1838 году его освятили во имя святителя Митрофана Воронежского. Левый престол нижнего храма был посвящён святителю Николаю Чудотворцу. Затем была перекрыта железом крыша храма, установлен центральный золочёный крест на трёх фронтонах и начался ремонт летней трёхпрестольной церкви и трапезной.
В это время за алтарём Знаменского собора было устроено монастырское кладбище. В 1880-х годах храм был заново отремонтирован, а в 1886 году был расписан инокинями из живописной мастерской, открытой в обители в 1879 году под руководством художника П.А. Соколова. В соборе в эти годы неоднократно служили сначала Воронежские, а после Орловские пастыри и архипастыри, бывавшие в обители с визитом.
Летом 1890 года в летний храм Знаменского собора было проведено водяное отопление. После ремонта 1890 года храм описывали так: «..через западный вход посетитель попадал в обширную светлую трёхнефную трапезную с колоннами коринфского ордера. Центральный неф, где молились богомольцы, отделялся от боковых, предназначенных для инокинь, решёткой. На западной стене трапезной в трёх отдельных рамах располагались мозаики с видами старого Иерусалима и горы Голгофы. С правой стороны у стены стояла в форме изящной вызолоченной гробницы под стеклом превосходная плащаница, шитая золотом. По обе стороны арки – иконы в серебряных с позолотой ризах в вызолоченных киотах. Главный иконостас трёхъярусный с резьбой и позолотой. Вверху иконостас венчало изображение Вознесения Христова. Посреди храма – люстра из 30 свечей, перед иконами красивые металлические подсвечники. Иконостас правого придела во имя Димитрия Ростовского – одноярусный с позолотой, алтарь его хранил ковчег с частицами мощей многих святых. Левый престол посвящён Варлааму Хутынскому, частица мощей которого находится в иконе этого святого, издревле хранящаяся в обители. В 1861 году этот престол освящён так же в честь святителя Тихона Задонского». В том же 1890 году с северной стороны была пристроена крытая паперть.
После революции 1917 году Знаменский монастырь и его собор продолжали действовать ещё некоторое время. В 1922 и 1923 году и собора изъяли церковную утварь. В течение того времени как насельницы устроили из монастыря трудовую артель, Знаменский собор продолжал действовать. В марте 1929 года монастырь был «ликвидирован», а его здания (в их числе и собор) переданы под жильё семьям рабочих елецких заводов. В июле 1929 году из соборного храма изъяли всё имущество. В 1937 году начался разбор Знаменского собора: снята железная крыша, сломан пол и междуэтажные перекрытия. Во время войны храм был окончательно разобран, нетронутым оказался лишь фундамент.
После передачи монастырского комплекса РПЦ в 1997 году, уцелевший фундамент был расчищен, но восстановление собора состоялось лишь после возрождения обители в 2004 году. В 2005 году начались работы по восстановлению Знаменского собора по найденным архивным чертежам. К декабрю 2006 года полностью восстановлен и перекрыт кровлей объём трапезной части, восстановлен четверик храма, в цокольном этаже устроено отопление. Ныне храм полностью выстроен, освящён и действует.
Использован переработанный материал из книги: Клоков А.Ю., Найдёнов А.А., Новосельцев А.В. «Храмы и монастыри Липецкой и Елецкой епархии. Елец». Липецк, 2006.
