Церковь возвёл Каменный приказ, в связи с чем Патриарх Московский и всея Руси Филарет (Романов) наградил 30 сентября 1631 г. руководителей приказа дворянина С.И. Исленьева и дьяка Н. Леонтьева («Русская историческая библиотека», том 3). 26 сентября 1631 г. он вложил в новый храм Евангелие и передал ему ткань для изготовления покровов на престол (срачицы и индитии), покровцов и воздуха («Русская историческая библиотека», том 3). В июне 1679 г. И.М. Милославский заключил договор подряд с зодчими – крестьянами села Деево Городище Костромского уезда Фёдором Григорьевым Медведевым и Григорием Анисимовым с артелью на строительство новой соборной церкви. В связи с болезнью заказчика с 1683 г. собор достраивал родственник И.М. Милославского боярин князь Василий Фёдорович Одоевский. Слабость грунта и особенности архитектурного замысла потребовали применения сложных технических решений: под фундамент было вбито больше 2,5 тыс. свай, стены сузили кверху. Храм стал четырёхстолпным с декоративными закомарами, однако внутри четверик не имел столбов и был перекрыт сомкнутым сводом, прорезанным световой центральной главой. Фасады украшал скромный кирпичный декор. Смещение грунта в сторону реки Москвы требовало регулярных ремонтно-строительных работ, которые проводились начиная с 1695 г. В 1865 г. южную стену укрепили контрфорсами, произвели другие работы. В верхней холодной Знаменской церкви установили иконы из старой одноимённой церкви. Иконостас был создан на вклады патриаршего дьяка Дениса Дятловского, торгового человека С.Ф. Кудрявого, Т.И. Второвой и др. 27 июля 1684 г. верхний храм освятил патриарх Иоаким в присутствии царя Ивана Алексеевича, царицы Прасковьи Фёдоровны и царевен. Внутреннее убранство храма неоднократно обновлялось. В 1843–1844 гг. П.З. Миронов переделал иконостас, сохранив иконы, царские врата и несколько колонн. Раннюю роспись храма выполнили А. Иванов и С. Дмитриев в 1740 г. (фрагменты росписи сохранились). В 1782–1783 гг. четверик был украшен лепными розетками, изготовление которых связывают с кругом архитектора Матвея Фёдоровича Казакова, а в 1813 г. – росписью художника А.С. Волкова, которая впоследствии неоднократно поновлялась. Нижний тёплый храм был посвящён преподобному Афанасию Афонскому. Апсида храма была переложена в 1769–1770 гг. В храме сменилось несколько иконостасов: в XVII в., 1777, 1822–1823, 1853 гг. Роспись была создана в 1778–1779 гг., с 1820 гг. неоднократно поновлялась. После возобновления нижнего храма в 1813 г. он был переосвящён во имя преподобного Сергия Радонежского. В трапезной части храма в 1752 г. был устроен придел во имя Николая Чудотворца. С двух сторон собор окружён двухъярусной крытой галереей-папертью.