Освященный в 1873 году Боголюбский собор с пятью куполами имеет три престола: главный в честь Боголюбской иконы Божией Матери, а боковые, в честь Сретения Господня и преподобного Сергия Радонежского. Новый каменный храм, выполненный в византийско-русском стиле, выделяется среди других церквей Тамбовской митрополии своими значительными размерами, способностью вместить до 5 тысяч человек и впечатляющей красотой. Центральный купол диаметром 16 метров добавляет величественности, а высота здания достигает 21 метра. Просторное подкупольное пространство освещается 16 окнами. Храм имеет форму куба с ребром 43 метра и повторяет очертания греческого креста, достигая общей высоты 64 метра. Его конструкция гармонична и продумана, а цокольный этаж украшен арками большого пролета, расходящимися от главного столба.

В 1930 году собор был закрыт и использовался как склад. Попытки его взорвать не увенчались успехом из-за риска разрушения соседних домов. В 30-40-е годы XX века многие горожане стали свидетелями явления Пресвятой Богородицы у стен собора, что помогло сохранить храм и монастырские постройки в сложные времена.

После войны уникальные купола были сняты, а в цокольных помещениях разместился соляной склад. Долгие годы атмосферные осадки и соль разрушали кирпичную кладку и уничтожали настенные росписи. В 1960-е годы схимонахиня Серафима Белоусова предсказала, что собор будет восстановлен. Власти признали его памятником архитектуры и начали реставрацию, вывезя соль из здания.

В 1990 году собор был возвращен верующим, а в 1991 году в нем возобновились богослужения. В первые годы после открытия несколько икон, включая Казанскую Божию Матерь и святителя Митрофана Воронежского, мироточили. В 1993 году собор посетил Патриарх Алексий II. Сегодня реставрация продолжается, при храме построена колокольня-часовня в честь Новомучеников и Исповедников российских.

Боголюбский кафедральный собор в Мичуринске вновь стал одним из самых красивых храмов Тамбовщины. Возобновляется монашеская жизнь, и есть надежда на восстановление Боголюбского женского монастыря.