С основанием церкви на этом месте связана легенда, отражающая традиционный для вятского и удмуртского края мотив противостояния язычества и православия. Легенду изложил протоиерей Благовещенского собора А.И. Чернишевский:

"На холме, где сейчас стоит Благовещенский собор, раньше находился чум, крепкий амбар с полом и потолком, где хранили сенокосные орудия, провизию и мед. По рассказам старожилов этой деревни, за десять лет до основания завода они начали слышать гул, похожий на звон колокола, чего раньше не было. Вотяки стали говорить, что здесь когда-то будет христианская церковь, которая разрушит их святилища, где они приносили жертвы Кереметю".

Грамота на строительство будущей церкви была подписана епископом Казанским Гавриилом 19 февраля 1759 года, а освятили её 15 октября 1760 года во имя святого Димитрия, митрополита Ростовского. Первая церковь в поселке, Дмитриевская, была деревянной и простояла 14 лет, пока не была сожжена и разграблена войсками Емельяна Пугачева. Храм находился в центре поселка на месте нынешней центральной площади города. В 1764 году было разрешено построить новую теплую церковь с Благовещенским приделом. В июне 1774 года храм был разграблен.

14 мая 1775 года по просьбе главного командира Гороблагодатских и Камских заводов полковника Акима Обольяновича была выдана грамота на строительство "новой деревянной церкви", которую освятили в 1775 году. Население поселка росло, и маленькая церковь не могла вместить всех желающих. Кроме того, крыша храма прогнила, и дождь проникал внутрь.

28 сентября 1810 года шесть заводских служащих, включая художника Якова Дудина, обратились к властям с просьбой: "Нужно на её месте построить каменную церковь". Вскоре старая деревянная Дмитровская церковь была перенесена на нагорное кладбище, где её перестроили и в 1820 году переосвятили во имя Преображения Господня. В ноябре 1811 года священник Василий Георгиевич Блинов, приехавший из Ижевска, стал инициатором строительства нового храма. С 1812 года, став благочинным и протоиереем, он активно добивался возведения каменного храма, достойного большого города-завода. Поэтому в 1816 году начали строить обширный Благовещенский собор.

6 октября 1815 года епископ Вятский Гедеон подписал грамоту на строительство храма. 12 октября 1815 года был издан соответствующий указ Вятской духовной консистории. Признавалось, что завод "по указу Его императорского Величества от 10 декабря 1813 года приравнен к главным горным заводам, а по штату Горного положения, утвержденному 13 июля 1806 года, в главном заводе всегда назначался протопоп, который уже есть при Воткинском заводе, и два священника, два дьякона, шесть причетников. Поэтому воткинскую церковь следует называть собором Благовещения Божьей Матери и везде так указывать и писать, о чем и сообщить в Сарапульское духовное правление".