В описании Тамбова 1658 года упоминается, что в Покровской слободе, находящейся южнее крепости, располагались две церкви: Покрова Богородицы и великомученицы Прасковьи. Вероятно, они были в одном деревянном здании. В 60-х годах XVIII века пожар полностью уничтожил эту постройку. В 1763 году началось строительство новой каменной церкви. Имена авторов проекта и строителей этого сооружения не сохранились. Известно, что строительство велось при епископе Пахомии Симанском, управлявшем тамбовской кафедрой в 1758-1766 годах. Архитектура храмов в то время зависела от предпочтений руководителя епархии. В акте обследования от 9 января 1871 года, проведенного Строительным отделением с участием городского архитектора Карабутова, указано, что Покровская церковь прочна и выполнена в Русско-Византийском стиле. Она признана одним из древнейших зданий Тамбова и должна сохраняться в своем виде. Документ подписали губернский инженер Садовский и архитектор А.С. Четвериков.

К середине XIX века старая церковь стала мала для прихожан. В 1843 году Святой Синод утвердил проект новой Покровской церкви. Ее строительство началось в 1844 году на средства местного почетного гражданина И.М. Байкова и продолжалось до 1867 года. В процессе строительства храм обрушился из-за повреждений в столбах, поддерживающих своды и купол. Синод разрешил установить деревянный купол вместо каменного. В 1869 году, при участии художника М.Ф. Снегирева, строительство завершилось. В акте обследования, составленном архитекторами Садовским и Мейшером, отмечалось, что церковь построена из качественных материалов, трещин в арках и колоннах нет, за исключением вертикальной в стене, отделяющей алтарь. Покровская церковь была важным символом для горожан, так как освящение города произошло 1 октября 1637 года в день Покрова Пресвятой Богородицы, который долгое время оставался одним из главных праздников Тамбова.

В 1903 году храм передали военному ведомству, но в 1918 году его закрыли и использовали как склад и общежитие. В 1943 году, в тяжелое военное время, церковь вернули верующим, и до 1988 года она оставалась единственным действующим храмом города, а до 1993 года, соборным.

Сейчас церковь Покрова Пресвятой Богородицы действует и является памятником истории и архитектуры середины XVIII века.