В 1834 году вокруг Благовещенского собора образовался монастырь, получивший имя Митрофановского. Он, как и поражавшие своим величием и великолепием убранства Владимирский и Свято-Троицкий соборы, был уничтожен после революции.

На месте древнего Благовещенского собора и Митрофановского монастыря ныне находится главный корпус Воронежского государственного университета.

Постановлением исполнительного комитета администрации города Воронежа от 7 августа 1998 года N 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.

15 ноября 1998 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II освятил закладной камень новой святыни епархии.

Наиболее значимые события в строительстве Благовещенского кафедрального собора происходили в дни Богородичных праздников: 28 августа 1998 года, в праздник Успения, было освящено место под строительство собора в честь Благовещения Пресвятой Богородицы.

Спустя три года в этот же день был поднят купол, а в праздник Покрова Божией Матери освящен 12-метровый крест весом почти 5 тонн, который изготовлен и установлен специалистами Волгодонского инженерного центра "Грант".

23 марта 2002 года был освящен и поднят на звонницу Благовещенского кафедрального собора самый главный колокол. Его вес – 6 тонн. Главный "голос" будущего кафедрального собора был отлит по специальному заказу воронежским предприятием "Вера" (колокололитейный завод В. Анисимова).

2 августа 2002 года были освящены шестиметровые кресты для малых куполов собора.

В 2003 году было завершено строительство колокольни и 4 декабря 2003 года, в праздник Введения во храм Пресвятой Богородицы, освящен крест и вместе со шпилем поднят на высоту 84 метра.

7 апреля 2004 года, в престольный праздник кафедрального собора – Благовещения Пресвятой Богородицы, во временном нижнем храме была совершена первая Божественная литургия. С тех пор в храме начались регулярные богослужения.

23 октября 2009 года настоятелем Благовещенского кафедрального собора был назначен архимандрит Андрей (Тарасов).

4 апреля 2007 года были освящены купола для угловых башен собора.

5–6 декабря 2009 года в Воронеже состоялись торжества по случаю перенесения мощей святителя Митрофана, первого епископа Воронежского, из Покровского кафедрального собора города Воронежа в Благовещенский кафедральный собор Воронежской и Борисоглебской епархии.

Мощи воронежского первопрестольника святителя Митрофана помещены в раку, изготовленную из малахита уральскими мастерами.

В Благовещенском соборе также пребывают часть мощей святителя Тихона, епископа Воронежского, Задонского, всея России чудотворца, и мощи священномученика Петра (Зверева), архиепископа Воронежского, являя всем помощь и заступление.

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 имеет мощный стилобат, по объему частично совпадающий с криптой – нижним храмом; колоссальный двусветный объем основного подкупольного, верхнего храма, сохраняющего крестообразный план; высокую колокольню с плоским греческим куполом и пять луковичных завершений.

В местном ряду иконостаса – святые, наиболее почитаемые в Воронежской епархии. Кроме живописных икон, собор украшен монументальным запрестольным мозаичным образом; он являет собой авторскую копию мозаик константинопольской Софии: Спаситель на престоле с предстоящими Богородицей и святым Пророком Иоанном Предтечей.

В сквере Благовещенского кафедрального собора, на главной аллее Первомайского сада, ведущей с проспекта Революции к храму установлен памятник святителю Митрофану, первому епископу Воронежскому (автор – скульптор И.П. Дикунов). Высота памятника – 8,5 метра, вес – 8 тонн. Он отлит из бронзы на заводе имени Коминтерна города Воронежа.

Великое освящение собора 18 сентября 2011 года совершил Его Святейшество Патриарх Московский и всея Руси Кирилл с сонмом архиереев и духовенства епархии. За Божественной литургией в новоосвященном соборе Святейший Патриарх рукоположил настоятеля Благовещенского кафедрального собора архимандрита Андрея (Тарасова) во епископа Острогожского, викария Воронежской епархии.