Существует несколько версий основания монастыря, но две из них наиболее интересны. Одна гласит, что святыня была возведена в 1631 году в память о кончине инокини Марфы. Сторонники другой теории утверждают, что монастырь основали в 1629 году в честь появления на свет наследника престола — тогда же в монастырь принесли родовую икону семьи. Кстати, некоторые источники утверждают, что она стала одной из первых икон, на которых изображена Богоматерь.

Храм был возведён в соответствии со старыми русскими традициями и имел два яруса: верхний холодный был освящён в честь иконы «Знамение», нижний носил имя святого Афанасия Афонского. Следует отметить, что в XVIII веке собор переживал свой расцвет — он был вновь расписан русскими мастерами, его стены украсила лепнина, также была пристроена колокольня, ставшая главным входом в собор.

Храм не раз переживал нелёгкие времена — сначала он попал в немилость Петра I, который почти прекратил финансирование богоугодного заведения, а во время войны с Францией наполеоновские солдаты разграбили святое место и сожгли образа святых, которые не были вывезены монахами во время Отечественной войны. Монастырь восстановили лишь к 1827 году. Чуть менее чем через 100 лет, когда к власти пришли большевики, монастырь вновь закрыли, главную икону убрали подальше от глаз (её вывезли в Иркутск), а помещения отдали под жильё. На территории монастыря возвели надворные постройки и даже конюшни, которые к 1960-м были уничтожены.

Лишь в 1992 году во вновь отреставрированном монастыре были возобновлены богослужения. В настоящее время на его территории располагаются собор, колокольная, кельи (сохранились с XVIII века), братский корпус, палаты бояр Романовых и монастырский корпус.