Храм построен между 1757 и 1794 годами по типу иркутской архитектуры середины XVIII столетия. Храм сооружен на месте деревянного храма, срубленного в 1693 году. Средства на строительство выделил купец Иван Бичевин. В 1760 году был освящен Николаевский придел, другие с 1762 по 1794 гг. последовательно достраивались и освящались. К основному объему храма примыкает трапезная и восьмигранная колокольня над папертью.
К северному фасаду примыкает Никольский придел и уравновешен с юга Казанского придела. В храме сохранились предметы старинного убранства: сверкающие позолотой барочные резные иконостасы, иконы, оклады работы иркутских серебряников.
С приходом советской власти в Иркутск храм остается в распоряжении местной епархии. В ночь с 6 на 7 февраля 1920 года в непосредственной близости были расстреляны Верховный правитель России Александр Колчак и председатель Совета министров Виктор Пепеляев.
В 1926 году Знаменский храм стал приходским, а с 1929-го начал выполнять функции кафедрального собора. С 1936 г. храм закрывают и размещают авиаремонтные мастерские и гараж. Вновь открыт в 1945 г., получил статус кафедрального собора в 1948 г.
30 августа 1960 года комплекс Знаменского монастыря Постановлением Совета Министров РСФСР № 1327 (Приложение 1) переведён в ранг памятников архитектуры республиканского (федерального) значения и поставлен на государственную охрану.
С 1991 года в Знаменском храме вновь покоятся мощи святителя Иннокентия Кульчицкого.