Решением Павлодарского городского Совета народных депутатов от 17 мая 1990 года Русской Православной Церкви был выделен участок земли под строительство нового храма.

Фактически строительство началось в 1993 году и завершилось осенью 1999 года, в канун 2000-летия Рождества Христова.

22 октября 1999 года собор освятил архиепископ Астанайский и Алматинский Алексий (Кутепов; ныне Тульский и Белевский). 23 октября 1999 года состоялось его торжественное открытие. Открытие собора телеграммой приветствовал Президент Казахстана Н.А. Назарбаев.

В строительстве Благовещенского собора приняли участие более 50-ти предприятий и организаций г.Павлодара, Павлодарской области, г.Усть-Каменогорска, а также Московской, Омской, Новосибирской, Челябинской областей России. На стройплощадке трудилось свыше 200 человек разных национальностей и религиозной принадлежности.

Высота собора с крестом – 51 м.

Звонницу Благовещенского собора составляют 9 колоколов общим весом 1024 кг, отлитых на АМО «ЗИЛ» (г.Москва).

Иконостас, паникадила (люстры) и богослужебная утварь были изготовлены для Благовещенского кафедрального собора на Художественно-Производственном Предприятии «Софрино» Русской Православной Церкви (Московская область).

Витражи изготовлены и смонтированы мастерами г.Томска. В 1999 году около собора построена часовня во имя Святителя и Чудотворца Николая, Архиепископа Мир Ликийских. В часовне находится икона Святителя Николая с частицей его святых мощей. В 2002-2003 годах тщанием акима Павлодарской области Д.К. Ахметова (ныне Премьер-Министр РК) часовня была расписана павлодарскими иконописцами.

В день открытия собора на пустыре вокруг собора был заложен Парк III Тысячелетия с детской площадкой, ставший любимым местом отдыха взрослых и детей близлежащих жилых массивов.

Указом архиепископа Астанайского и Алматинского Алексия настоятелем Благовещенского собора назначен благочинный церквей I Округа Павлодарской области игумен Иосиф (Еременко).

Постановлением акима Павлодарской области Ахметова Д.К. О дополнительном списке памятников архитектуры и монументального искусства местного значения, подлежащих государственной охране №220/10 от 7 октября 2002 года Благовещенский кафедральный собор получил статус памятника истории и культуры.

Благовещенский кафедральный собор, уникальное инженерное сооружение и красивейший из вновь построенных храмов Казахстана, стал духовным и культурным центром Павлодарского Прииртышья.