Построен в 1679—84 (архитекторы псковские мастера Ф.Григорьев, Г.Анисимов) в Зарядье, в Знаменском мужском монастыре (основан в 1631 царем Михаилом Романовым на старом дворе (родовой усадьбе) бояр Романовых, по смерти матери, инокини М.И.Романовой). Восстанавливался после пожаров 1737, 1812. Кроме собора, в ансамбль монастыря входят: колокольня (построенная в 1784—89 после разборки колокольни Знаменского собора, на основании бывшего надвратного храма святого Иакова — 1756, в 1960 отделена от собора эстакадой), сев. корпус братских келий 1676—80 (надстроен в 1908), служебный корпус XVIII в. (между палатами и гостиницей «Россия»), палаты бояр Романовых (XV-XVII вв., здесь родился в 1596 будущий царь Михаил; с 1932 — филиал Государственного исторического музея).

Монументальный, пятиглавый, с сев. и зап. окружен двухъярусной открытой галереей с крыльцами, у ее ю.-з. угла находилась шатровая колокольня (разобрана в конце XVIII в. в связи с осадкой фундамента). Центральная глава — световая, боковые главы — глухие. Сомкнутый свод декоративно оформлен закомарами. Нижний этаж — центральная часть с престолом преподобнго Сергия Радонежского и приделом святителя Николая Чудотворца, трапезная с теплым храмом святого Афанасия Афонского, алтарь которого, переложенный в 1759, сильно выступает из-под трехчастной алтарной части верхнего храма (с престолом иконы Божией Матери «Знамение» и ризницей).

Монастырь закрыт в 1928—29. Его помещения были заняты под жильё. Находившаяся в соборе до его закрытия семейная икона дома Романовых «Знамение» (XVI в.) со святыми на полях попала в Иркутский музей. Собор находился в аварийном состоянии. Реставрировался в 1963—72 по образцу храма 1684 и использовался как концертный и лекционный зал Всероссийского общества охраны памятников истории и культуры.
Сохранились фрагменты росписи 1740 (иконописцы С.Дмитриев, А.Иванов) в зале верхнего храма, откосах окна и портала с сев. стороны. Крупный четырехугольный объем помещения верхнего храма перекрыт сомкнутым сводом в виде кессонов, в их середине — лепные розетки. Карнизы поддерживают пилястры с картушами. От работ конца XVIII в. сохранилась темперная живопись в картушах пилястров и отделка алтарного выступа второго яруса. В центре купола центральной световой главы — «Всевидящее око».

Престол верхнего храма — иконы Божией Матери «Знамение». Нижний храм преподобного Сергия Радонежского (придел — святителя Николая Чудотворца) освящен в октябре 1992. Работает воскресная школа, проводятся лекции и беседы для взрослых.