Храм был построен на месте белокаменного собора XIV века. Начало его строительства в 1648 году ознаменовало начало каменных работ в Благовещенской обители, когда Вельямин Череткин получил царскую грамоту, позволяющую беспошлинно перевозить кирпич из Балахны. Железо для крепежа поступало из патриарших кладовых Московского Кремля. Летописи указывают, что строительство завершилось в 1649 году.

Архитектура храма уникальна и обладает своими характерными художественными и конструктивными особенностями. Хотя он возводился как шестистолпный, своды и главы поддерживают четыре пилона. Западная пара столбов отсутствует, а образовавшееся пространство перекрыто сомкнутым сводом с распалубками. Восточная стена, как в ярославских храмах, стоит на алтарных сводах. Главы имеют разную форму: центральная, луковичная, а четыре малых боковых, шлемовидные. Закомары выполнены с трёхцентровым очертанием, напоминающим бочечные кровли древнерусских построек. Под зданием находится подцерковье, используемое как склад, с двумя входами, куда можно было въехать на телегах по пандусу с северной стороны.

Изначально центральная глава собора была покрыта муравленой черепицей, а боковые, белым железом. Открытые паперти внутри украшали фрески, а западный и северный входы имели бочечные кровли. После нескольких пожаров в XVIII веке архитектор Я. А. Ананьин в 1780 и 1785 годах провёл ремонт, заменив позакомарную кровлю на четырёхскатную.

Иконостас собора был украшен множеством древних икон, инкрустированных драгоценными камнями и жемчугом, среди которых были Богоматерь с предстоящими, образ Алексия Митрополита в житии XIV века и другие. В 1820 году иконописец из Палеха П.П. Корин создал новые изображения на старых двенадцати досках.

В 1825 и 1827 годах архитектор И. Е. Ефимов провёл ремонт собора. В 1870 и 1872 годах академик Л. В. Даль осуществил реставрацию, вернув храму его первоначальные формы.

В период с 2004 по 2007 годы в храме проводились строительно-реставрационные работы, была заменена система отопления, что позволило проводить службы и зимой. Также были побелены стены снаружи и внутри, обновлён вход и реконструирована галерея.