Храм неоднократно перестраивался. Первоначально он состоял как бы из двух храмов, разделенных между собой продольной стеной. В 1837 году внутренняя стена была заменена арками, таким образом, разделенные части храма были объединены в одно пространство.
Первоначальный деревянный храм на «Уржатке» (район современной площади Батенькова) упоминается с 1639 года. В 1649 году после пожара была выстроена двухэтажная деревянная церковь с верхним приделом во имя Всемилостивого Спаса
Каменная Благновещенская церковь в 1820 году приобрела статус главного городского храма и сюда была перенесена из старинного деревянного Троицкого собора ценнейшая реликвия - древняя икона «Живоначальной Троицы», пожертвованная царем Борисом Годуновым для первой церкви Томска.
В 1834 году была учреждена Томская епархия. Благовещенская церковь становится кафедральным собором благодаря своему расположению в центре города и вблизи от резиденции епископа (которая первоначально находилась в Богородице-Алексиевском мужском монастыре). Хотя, как отмечали современники, из-за своей тесноты данный храм, несмотря на неоднократные перестройки, не вполне подходил для кафедрального собора. Строительство нового главного храма Томской епархии началось в 1840-е годы, но завершить стройку удалось только в 1900 году. После этого Благовещенская церковь утратила значение кафедрального собора и стала приходским храмом.
В 1892 году при Благовещенской церкви открылось церковно-приходское попечительство, а в 1897 году - церковно-приходская школа (учащихся 90 человек). В церковной библиотеке имелось до 1420 томов книг (1914 год).
В 1914 году в Благовещенском приходе числилось 2288 человек.
Ежегодно 1 августа из собора устраивался крестный ход на реку Ушайку для совершения обряда малого водоосвящения.
В 1920 году Благовещенская церковь была национализирована и передана верующим в пользование по договору.
С 1922 года церковь находилась в подчинении у обновленцев.
В 1924 году Благовещенская община вошла в каноническое общение с Архиепископом Димитрием (Беликовым). В августе 1932 года он умер и захоронен в ограде Благовещенской церкви (позже могилу перенесли).
С 1928 года Благовещенская община стояла на позициях ВВЦС.
В феврале 1930 года в общину Благовещенской церкви влились прихожане закрытого Троицкого собора и Петропавловской церкви. Сюда же была перенесена архиерейская кафедра «григорианцев».
В ноябре 1932 года на Томскую кафедру «григорианцев» прибыл архиепископ Иероним (Борицкий). Посещаемость служб резко возросла и Благовещенская церковь уже не могла вместить всех желающих . По добровольному согласию между общинами Знаменской, Никольской и Благовещенской церквей в конце декабря 1932 года произошел обмен храмами. Община Благовещенской церкви вместе с кафедрой архиерея Иеронима (Борицкого) перешла в Никольскую церковь, Благовещенскую церковь заняла община Знаменской той же ориентации (ВВЦС) , а в освободившуюся Знаменскую церковь перешла община с Епископом Фостирием (Максимовским) из Никольской церкви ориентации Московской Патриархии.
В апреле 1934 года в Благовещенской церкви проводилась ревизия. Храм был признан ветхим, пришедшим в негодность и потому подлежащим закрытию. Решение о Ликвидации Благовещенской церкви было утверждено Западно-Сибирским Крайисполкомом 5 августа 1934 года. Имущество закрытой церкви (престолы, подсвечники, облачения, ковры - всего 164 наименования) было изъято и передано в госфонд . Благовещенская община влилась в общину Никольской церкви, куда перенесла из закрытого собора старинную икону Святой Троицы - дар царя Бориса Годунова. 1934 году здание было снесено.