L'un des premiers temples sur la terre de Voronej était dédié à l'Annonciation de la Sainte Vierge. Les chercheurs divergent sur la date de sa fondation. L'archevêque de Kiev, Eugène (Bolkhovitine), estime que le temple a été fondé en 1620, tandis que le prêtre Stéphane Zverev, l'archevêque Dimitri (Sambikin) et le chercheur N.I. Polikarpov pensent qu'il a été construit en même temps que la fondation de Voronej en 1586.

À l'origine, le temple de l'Annonciation était en bois et a souffert à plusieurs reprises d'incendies, après quoi il a été reconstruit et même déplacé. En 1682, sous le premier évêque de Voronej, le saint Mitrophane, le temple est devenu la cathédrale. Le 19 avril 1684, à la demande du saint Mitrophane, le patriarche de Moscou et de toute la Russie, Joakim, a béni la construction d'un temple cathédral en pierre, achevé en 1690. Sur le territoire de la cathédrale, depuis 1682, se trouvait la résidence des archevêques en fonction, et de 1745 à 1822, le séminaire théologique de Voronej, fondé par l'évêque Théophylacte.

Après la mort du saint Mitrophane en 1703, ses restes ont été enterrés dans la cathédrale. Lors de la reconstruction du temple, ses reliques ont été retrouvées, et un an plus tard, il a été canonisé par l'Église orthodoxe russe. L'initiateur de la canonisation était l'archevêque Antoine (Smirnitski), qui a proposé en 1834 de créer près de la cathédrale de l'Annonciation le monastère de Mitrophane de l'Annonciation. Le monastère a été solennellement ouvert le 1er septembre 1836, et la cathédrale est devenue la Sainte-Trinité, tandis que l'Annonciation est restée un important centre spirituel. Après la révolution, le temple et le monastère ont été fermés et détruits dans les années 1950. À leur place se trouve maintenant le bâtiment principal de l'Université d'État de Voronej.

La renaissance de la cathédrale de l'Annonciation a commencé en 1998 à l'initiative du métropolite Méthode dans le jardin de Mai, en l'honneur du 2000e anniversaire de la naissance du Christ. La nouvelle cathédrale, comme l'ancienne, sera consacrée à l'Annonciation de la Sainte Vierge, et son apparence extérieure reproduit celle de la cathédrale de Vladimir, érigée en l'honneur du 900e anniversaire du baptême de la Russie.

Le 15 octobre 1998, le patriarche de Moscou et de toute la Russie, Alexis II, a consacré la pierre angulaire de la nouvelle sanctuaire de l'éparchie lors de sa visite à Voronej.

Le destin de la cathédrale de l'Annonciation et du monastère de Mitrophane est étroitement lié à l'archevêque Tikhon (Nikanorov), originaire de la terre de Novgorod et diplômé du séminaire théologique de Novgorod et de l'Académie théologique de Saint-Pétersbourg. Il a été nommé à la cathédrale de Voronej le 13 mai 1913 et est connu comme constructeur de temples et initiateur de la canonisation de l'archevêque Antoine (Smirnitski). L'évêque Tikhon a participé au Concile panrusse de l'Église orthodoxe russe de 1917-1918.

Le 27 décembre 1919 (9 janvier 1920), il a été pendu aux portes royales de l'autel de la cathédrale de l'Annonciation. Avec lui, 160 personnes ont subi un martyre. Lors du Concile archiépiscopal jubilaire de 2000, il a été canonisé comme nouveau martyr. Ses reliques reposent au cimetière du monastère Alexeïev-Akatov dans une tombe commune des archevêques de Voronej, dont les restes ont été transférés là en 1993.