Разные исследователи называют разные даты основания Благовещенского собора. Митрополит Киевский Евгений (Болхотников) полагал, что он был основан в 1620. Другие считали, что датой основания необходимо принять 1586 год, то есть год основания Воронежа.
2 апреля 1682 года Святитель Митрофан посвящен в епископы Патриархом Иоакимом с шестнадцатью архипастырями. Позже, в этом же году, епископ Митрофан стал инициатором строительства нового Благовещенского собора из камня взамен старого и двора епископа с домовыми людьми. Ещё до отъезда из Москвы Святитель просил выделить место под новое строительство собора. 19 июня 1682 года царской грамотой было одобрено строительство собора и архиерейского двора и выделено под застройку около 255 сажен (почти треть города), территория современной Университетской площади. Но возведение собора отложили из-за нехватки средств. Святитель Митрофан ограничился ремонтом старого храма. 24 марта 1683 г. епископ просил у государя челобитной грамотой выдать ему сроком на три года с оплатой работы из архиереской казны двух плотников, которые брались правительством их Воронежской епархии на постройку стругов. Но существующий соборный храм к тому времени уже сильно обветшал, обвалилась кровля и помост. Совершать богослужения стало практически невозможно. Святитель Митрофан обратился к Патриарху Иоакиму с челобитной по поводу возведения нового каменного храма, так как кирпич и камень находились поблизости, а лес «в дальнем расстоянии, верстах в тридцати и больше».
19 апреля 1684 года от Патриарха была получена благословенная грамота на постройку собора в честь Благовещения Пресвятой Богородицы. По указу из Москвы на строительство храма в 1684 году было выделено 100 пудов железа, а в 1685 г. — ещё 200. Государь для постройки собора пожертвовал мельницу при речке Ельце, а к открытию — колокол весом 160 пудов. Храм освятили к 1692 г. Новый храм превосходил все постройки того времени, но архитектура его проста — высокие прямые стены с окнами в два ряда, низкая деревянная крыша с пятью главами, на которых возвышались кресты. К главной части собора справа примыкал придел Архангела Михаила. Иконостас храма был шестиярусным. Главные иконы и царские врата отделены серебряными чекаными позолочеными окладами. Святой престол покрывала бархатная с золотом одежда. Большая часть облачений была из атласа, шелка, бархата и материала уже вышедешего из употребления. Многие из облачений вышиты золотом и серебром. Почти вся церковная утварь была серебряная и вызолоченая. Исследователи полагают, что значительную часть средств на постройку храма и церковную утварь Святитель Митрофан собрал в Москве, у знатных знакомых.
Перед своей кончиной Святитель завещал хранить в храме все «недвижимо». Но уже к началу XIX века многие ценности были утеряны. В первые годы существования собора не хватало средств на свечи, ладан и церковное вино, подаяния были незначительными. Святитель Митрофан обратился с просьбой к государю о финансировании текущих нужд. Царской грамотой из «Воронежских таможенных доходов» велено было выдавать «в вечные времена» каждый год «без умаления» по 5 пудов воску на свечи и по 5 рублей на вино и ладан. 25 марта 1696 года Петр I, в престольный праздник Благовещения Пресвятой Богородицы, присутствовал за Литургией, которую совершал Святитель Митрофан в Благовещенском кафедральном соборе. На правом клиросе пели певчие царя. 12 апреля того же года Петр Великий слушал здесь Пасхальную утреню. Когда начали Пасхальный канон, по приказу государя был произведен пушечный залп с судов флота. Государь пожаловал епископу Воронежскому два архиерейских облачения: белой «камчатое» с «золотными» травами и «золотое» с серебряными и шелковыми разноцветными травами.
В 1834 году вокруг Благовещенского собора образовался монастырь, получивший имя Митрофановского. Он, как и поражавшие своим величием и великолепием убранства Владимирский, Свято-Троицкий соборы, были безжалостно уничтожены после революции богоборческой властью. На месте Благовещенского собора и Митрофановского монастыря ныне находится главный корпус Воронежского государственного университета.
Постановлением исполнительного комитета администрации города Воронежа от 7 августа 1998 года № 536 Воронежскому епархиальному управлению выделен земельный участок в Первомайском сквере по проспекту Революции, где началось строительство Благовещенского кафедрального собора – в память о трех крупнейших и красивейших соборах города, безжалостно уничтоженных богоборческой властью, и в знак покаяния воронежцев в безбожии и святотатстве.
Новый собор во внешнем облике повторяет Владимирский собор города, воздвигнутый в честь 900-летия Крещения Руси, построенный в Воронеже одним из последователей знаменитого архитектора К. Тона. Архитектурный проект выполнен В.П. Шевелевым в традициях русско-византийского зодчества.
Собор является третьим по величине в России православным храмом и одним из самых высоких православных храмов мира. Строительство осуществлялось с 1998 по 2009 годы. Возведение храма благословил Патриарх Московский и Всея Руси Алексий II в ходе своего визита в Воронеж.
