Один из первых храмов на воронежской земле был посвящен Благовещению Пресвятой Богородицы. Исследователи расходятся во мнениях относительно времени его основания. Митрополит Киевский Евгений (Болховитинов) считает, что храм был основан в 1620 году, тогда как протоиерей Стефан Зверев, архиепископ Димитрий (Самбикин) и исследователь Н.И. Поликарпов полагают, что его построили вместе с основанием Воронежа в 1586 году.

Первоначально Благовещенский храм был деревянным и неоднократно страдал от пожаров, после чего его перестраивали и даже переносили. В 1682 году, при первом епископе Воронежском святителе Митрофане, храм стал Кафедральным Собором. 19 апреля 1684 года, по ходатайству святителя Митрофана, патриарх Московский и всея Руси Иоаким благословил строительство каменного соборного храма, который завершили в 1690 году. На территории Кафедрального Собора с 1682 года находилась резиденция правящих архиереев, а с 1745 по 1822 год, Воронежская Духовная Семинария, учрежденная епископом Феофилактом.

После смерти святителя Митрофана в 1703 году его останки были захоронены в Кафедральном Соборе. Во время реконструкции храма его мощи были обретены, и через год он был канонизирован Русской Православной Церковью. Инициатором канонизации стал архиепископ Антоний (Смирницкий), который в 1834 году предложил создать при Благовещенском Соборе Благовещенский Митрофанов монастырь. Монастырь был торжественно открыт 1 сентября 1836 года, и Кафедральным Собором стал Свято-Троицкий, тогда как Благовещенский остался важным духовным центром. После революции храм и монастырь были закрыты и в 1950-е годы разрушены. На их месте сейчас находится главный корпус Воронежского государственного университета.

Возрождение Благовещенского Кафедрального Собора началось в 1998 году по инициативе митрополита Мефодия в Первомайском саду, в честь 2000-летия Рождества Христова. Новый Собор, как и древний, будет освящен в честь Благовещения Пресвятой Богородицы, а его внешний облик повторяет Владимирский Собор, воздвигнутый в честь 900-летия Крещения Руси.

15 октября 1998 года патриарх Московский и всея Руси Алексий Второй освятил закладной камень новой святыни епархии во время своего визита в Воронеж.

Судьба Благовещенского собора и Митрофанова монастыря тесно связана с архиепископом Тихоном (Никаноровым), уроженцем Новгородской земли и выпускником Новгородской Духовной Семинарии и Санкт-Петербургской Духовной Академии. Он был назначен на Воронежскую кафедру 13 мая 1913 года и запомнился как храмостроитель и инициатор канонизации архиепископа Антония (Смирницкого). Владыка Тихон участвовал в Поместном Соборе Православной Российской Церкви 1917-18 годов.

27 декабря 1919 года (9 января 1920) он был повешен на Царских вратах алтаря Благовещенского Собора. Вместе с ним мученическую смерть приняли 160 человек. На Юбилейном Архиерейском Соборе 2000 года он был канонизирован как новомученик. Его мощи покоятся на кладбище Алексеево-Акатова монастыря в общей могиле воронежских архипастырей, останки которых были перенесены туда в 1993 году.