Первое упоминание о Покровском храме содержится в «Дозорной книге» Григория Киреевского от 1615 года: «Слобода Беломестных атаманов и казаков, а в слободе церковь во имя Покрова Пресвятой Богородицы, деревянная, клецки, с папертью, а в церкви образы и колокола и всякое церковное строение приходских людей». Термин «новая» к ней не применялся, что позволяет датировать её появление началом XVII века.

В 1700 году святитель Митрофан, первый епископ Воронежский, выдал благословенную грамоту на строительство нового храма, так как старая деревянная церковь обветшала. В 1736 году началось возведение каменной церкви.

В 1748 году был освящен придел во имя Сретения Господня. В конце XVIII века в храме появился второй придел во имя иконы Божией Матери «Знамение», освященный 11 февраля 1796 года епископом Воронежским и Черкасским Мефодием (Смирновым, †1799). В 1791 году была построена трехъярусная колокольня. Самый крупный колокол, привезенный из Москвы, весил 181 пуд 5 фунтов (около трех тонн).

Необходимость перестройки главного храма стала очевидной. Основные работы завершились в 1835 году, но отделка продолжалась до 1841 года. Церковь была освящена 14 июля 1841 года святителем Антонием, архиепископом Воронежским и Задонским. Ионический портик и широкий барабан главного нефа придают храму величественный вид.

В 1847 и 1848 годах были освящены теплые приделы во имя Сретения Господня и иконы Божией Матери «Знамение», устроенные в трапезной купцом С.П. Евфимовым и стараниями прихожан.

Во время ремонта в 1872 году церковный староста В.О. Ухин обновил оба придела в трапезной, а иконостасы главного храма и приделов покрыли червонным золотом.

Архитектурно интересен дом священников, построенный рядом с храмом по типовому проекту в начале XIX века. В ограде храма находилось кладбище, где были похоронены священники и старосты.

К 1904 году в Покровском храме числилось 1282 прихожанина. Штат церкви включал двух священников, одного диакона и двух псаломщиков.

Богослужения проводились до 1932 года. После закрытия здесь разместили Дом обороны, а затем антирелигиозный музей. Под куполом установили маятник Фуко.

В августе 1945 года группа верующих, возглавляемая М.П. Вдовиным и Ф.Т. Хреновым, начала ходатайствовать о возвращении храма. Дважды их поддерживал Патриарх Алексий I (Симанский, †1970). 2 марта 1948 года Совет по делам Русской Православной Церкви решил удовлетворить просьбу верующих об открытии Покровской церкви в Воронеже и предложил зарегистрировать общину, передав ей здание и имущество. В мае 1948 года здание передали православной общине.

В 1948 году при епископе Иосифе (Орехове) архиерейская кафедра была перенесена из Никольского храма в Покровский, который стал кафедральным собором Воронежа.

14-15 ноября 1998 года состоялся первый визит Предстоятеля Русской Православной Церкви в Воронежскую епархию. Патриарх Алексий II провел молебен у мощей святителя Митрофана, всенощное бдение и Божественную литургию в Покровском соборе.

При соборе работают воскресная школа, приходская библиотека, социальный и катехизаторские отделы. С декабря 2009 года здесь действует паломнический отдел Воронежской и Борисоглебской епархии под руководством протоиерея Сергия Моздора.