Выстроен на месте белокаменного собора XIV века. С его строительства в 1648 году начались каменные работы в Благовещенской обители, когда Вельямин Череткин добился царской жалованной грамоты на беспошлинный провоз кирпича из Балахны. Железо для связи поставлялось из патриарших кладовых Московского Кремля. Летописи относят завершение строительства к 1649 году.
Храм выполнен со многими, только ему присущими архитектурно-художественными и конструктивными особенностями. Возводился по типу шестистолпного, однако своды и главы поддерживают четыре пилона. Западная пара столбов отсутствует, а образованное пространство перекрыто сомкнутым сводом с распалубками. Восточная стена, по типу ярославских храмов, поставлена на алтарные своды. Главы разной формы, центральная луковичной, 4 малых боковых шлемовидной. Закомары выполнены с трёхцентровым очертанием, отсылающим к бочечным кровлям древнерусских построек. Под зданием расположено подцерковье, склад, с двумя входами, в который въезжали на телегах по пандусу с северной стороны.
Первоначально центральная глава собора была покрыта муравленой черепицей, боковые белым железом. Открытые в стороны паперти внутри имели фресковую роспись, западный и северный входы бочечные кровли. После неоднократных пожаров в XVIII веке, архитектор Я. А. Ананьин в 1780—1785 годах провёл ремонт храма, позакомарная кровля была сменена на четырёхскатную.
Иконостас собора наполняло множество древних, убранных драгоценными камнями и жемчугом образов, в числе которых, Богоматерь с предстоящими, образ Алексия Митрополита в житии XIV века и другие. В 1820 году иконописец из Палеха П.П. Корин на старых двенадцати досках написал новые изображения.
В 1825—1827 годах архитектор И. Е. Ефимов провёл ремонт собора. В 1870—1872 годах академик Л. В. Даль провёл реставрацию здания, вернув храму изначальные формы.
В 2004-2007 годах в нем прошли строительно-реставрационные работы, заменена отопительная система, в настоящее время в соборе служба проходит и в зимний период, побелены стены снаружи и внутри собора, обновлен вход в собор, реконструируется галерея.
