В 1722 году в Бирюче было три храма: Покровский, Благовещенский и Троицкий (в Засосне).
Новая деревянная церковь была освящена 1 октября 1779 года в честь Покрова Пресвятой Богородицы. При обретении Бирючом статуса уездного города и центра благочиния Покровская церковь стала соборной. О ней сохранились упоминания в документах военной коллегии екатерининской поры, где говорилось об отпевании умерших в здешнем лазарете военных «кавалеров полковника Домиана Елистратова и генерала майора от инфантерии Владимира Иовича Нарыкова за высокой должностью коих обряд в Бирюченском Покровском соборе совершил викарный архиепископ Воронежский Агафон». Деревянный собор к середине XIX века обветшал и уже не вмещал прихожан разросшегося города. Поэтому в 1832 году, сразу после постройки Успенской церкви при соборе, было получено благословение Cвятейшего Cинода на сбор пожертвований для постройки нового, каменного собора. На строительство собора назначенной из казны суммы не хватило, и поэтому клир и прихожане собирали пожертвования на его достройку. Колокольня также строилась несколько позже. К празднику Покрова 1838 года собор был построен.
Красоту и великолепие внутреннего убранства собора отмечали многие известные люди. Здесь побывали композитор Бортнянский, писатель Данилевский… Художник Крамской по росписям собора создавал образ будущей картины «Христос в пустыне».
Бирюченский собор (по воспоминаниям старожилов) имел четыре престола. Его расписывали лучшие иконописцы города и губернии (в частности, художники братья Житниковы, имевшие в Бирюче иконописную мастерскую).
При Покровском соборе в 1862 году открылся класс богословия Воронежского архиерейского училища, а в 1902 году соборные священники стали преподавать Закон Божий в открывшейся при Успенском храме церковно-приходской школе. В эти годы — до и после пребывания на Свияжско-Казанской кафедре — здесь часто бывал владыка Димитрий (Самбикин).
После революции собор подвергся поруганию — в 1922 году изъяты все ценности, а клир был разогнан за отказ перейти в «обновленчество».
В 1961 г. здание собора (купола и колокольня были снесены и надстроена крыша) было переоборудовано для районного Дома культуры. Наружные стены храма сохранились, с восточной стороны пристроен вестибюль с кинопроекционной, с западной — пристроена котельная. Подвальные помещения (нижний храм) частично засыпаны мусором. Храмовая часть церкви была переоборудована в актовый зал с балконом. Дом культуры просуществовал в здании до 2004 года.
При подготовке к юбилею города Бирюча (с сентября 2004 года по август 2005 года) проведена реконструкция собора, построена трехъярусная колокольня. Освящен 11 сентября 2005 года.
