В июле 1815 года мастеровые Воткинского железоделательного завода «единогласно и единодушно учинили приговор» о строительстве каменного собора в Воткинске «который как известно, по действиям своим считается одним из самых важных в Государстве хозяйственных заведений»
По Указу Вятской Духовной Консистории № 3360 от 12 октября 1815 г. Дмитриевская церковь переименована в Благовещенский собор. Фундамент собора заложен в 1817 году, а строительство закончено в 1818 году.
Благовещенский собор закрыт на основании постановления президиума Сарапульского окрисполкома от 15 марта 1929 г. № 123. Здание передано под кинотеатр.
В январе 2001 года собор передан Православной Церкви.