Первый деревянный храм во имя Иконы Божией Матери «Знамение» в Елецком Знаменском женском монастыре был построен в 1770 году. Храм был выстроен силами монахинь на месте сгоревшей в 1769 году женской обители. В 1779 году святитель Тихон Задонский, посетивший Знаменскую обитель, указал место строительства каменного соборного храма. Сёстры, укреплённые благословением Святителя, в конце 18 века приступили к постройке нового собора. В это время была заложена храмовая часть в классическом стиле, с большою квадратною в плане световою главой со срезанными углами, с шестиколонными портиками по сторонам, больше похожая на светское сооружение. В 1805 году был освящён первый престол новой соборной церкви, а полное его освящение состоялось в 1813 году.
После революции 1917 году Знаменский монастырь и его собор продолжали действовать ещё некоторое время. В 1922 и 1923 году и собора изъяли церковную утварь. В течение того времени как насельницы устроили из монастыря трудовую артель, Знаменский собор продолжал действовать. В марте 1929 года монастырь был «ликвидирован», а его здания (в их числе и собор) переданы под жильё семьям рабочих елецких заводов. После передачи монастырского комплекса РПЦ в 1997 году, уцелевший фундамент был расчищен, но восстановление собора состоялось лишь после возрождения обители в 2004 году. В 2005 году начались работы по восстановлению Знаменского собора по найденным архивным чертежам. К декабрю 2006 года полностью восстановлен и перекрыт кровлей объём трапезной части, восстановлен четверик храма, в цокольном этаже устроено отопление.