В июле 1815 года мастеровые Воткинского железоделательного завода «единогласно и единодушно учинили приговор» о строительстве каменного собора в Воткинске.

Строился храм на средства обывателей Воткинского завода и крестьян окрестных селений, входящих в приход собора (десятки деревень), а также на значительные сборы по всей Вятской губернии и помощь оказываемую государством. Строительство производилось артелью прославленного мастера нижегородского крепостного крестьянина Алексея Бруснигина. Первый проект был составлен «штатным Воткинского завода архитектором» И. Т. Мальгиным.

Фундамент собора заложен в 1817 году, а строительство закончено в 1818 году. В этом же году освятили два придела в теплой церкви: правый – Николаевский и левый – Дмитриевский.

Иконы для собора писали художник императорской Академии А. Т. Винокуров и частью П. И. Федоров, а вызолачивал их живописец Михаил Юркин. Иконостас в сочетании стилей барокко и классицизма создавал «московский цеховой управы мастер по резному мастерству» А. М. Канцырев.

Осенью 1821 года на личные средства крупного русского ученого – металлурга П. Г. Соболевского над главным куполом собора был водружен венчающий шар и крест.

Холодный храм собора освящен 29 июля 1828 года во имя Благовещения Пресвятой Богородицы епископом Вятским Кириллом. Освящение произведено на мощах великомученика и целителя Пантелеймона «часть коих вложена в особом оловянном ковчежце к крест под престолом».

Трагические события 20-го столетия, разразившиеся в России, не обошли и Воткинск, а вместе с ним Благовещенский собор и его священство. В 1929 году собор был закрыт, а в здании расположился кинотеатр.

В январе 2001 года собор передан Православной Церкви.