Монастырский комплекс сложился гораздо раньше образования обители. О времени создания Благовещенского собора, будущего главного храма Митрофанова Воронежского монастыря, у исследователей нет точных сведений. Одни исследователи относят его строительство к 1620 г. (Евфимий Алексеевич Болховитинов), другие – к 1585–1586 гг., периоду основания крепости Воронеж (Николай Иванович Поликарпов). Первая церковь города была деревянной и построена «на посаде, подле города, в остроге». В ней было два престола – в честь Благовещения Пресвятой Богородицы и во имя Николая Чудотворца. Исследователи полагают, что завершение строительства крепости совпало с праздником Благовещения, который стал для жителей главным. В 1590 г., во время набега «черкас», церковь была сожжена, впоследствии восстановлена, несколько раз горела и отстраивалась. В 1680 гг. святитель Митрофан организовал строительство каменного кафедрального пятиглавого Благовещенского собора (около 1692 г.), который запечатлён на рисунке (1703 г.) голландца Корнелиса де Бруина. Однако ещё при жизни святителя Митрофана «оказалось, что каменное здание собора непрочно, и открылись местами трещины». По инициативе Воронежского митрополита Пахомия (Шпаковского) новый собор был заложен на другом месте и освящён 9 ноября 1735 г. Строительство возглавлял, по мнению историка архитектуры Виктора Антоновича Митина, каменных дел мастер Андрей Клюка, выходец из Украины. Впоследствии в соборе были устроены три придела: во имя святого Иоанна Милостивого, в честь Успения Пресвятой Богородицы и во имя великомученика Феодора Стратилата. В 1780 гг. при епископе Воронежском и Елецком Тихоне (Малинине) в процессе расширения храма были ликвидированы приделы, установлен новый иконостас, над которым работал живописец из города Бирюча И.М. Вейделев, стены расписаны «наилучшей итальянской живописью». 18 октября 1786 г., после ремонта, храм был вновь освящён. В последний раз перед открытием монастыря перестройки в соборе были осуществлены в начале 1830 гг. при архиепископе Воронежском и Задонском святителе Антонии (Смирницком): устроили новую кровлю, позолотили главы. В связи с подготовкой к открытию мощей и прославлению святителя Митрофана начались масштабные работы по благоукрашению собора. В его интерьере появились живописные рельефные изображения по эскизам архитектора Осипа Ивановича Бове. В конце 1833 г. был освящён придел во имя святителя Митрофана. Первоначально Благовещенский собор не отапливался. По инициативе епископа Воронежского и Елецкого Тихона (Соколова) для богослужений в зимнее время была построена и 30 декабря 1768 г. новым епископом Тихоном (Якубовским) освящена тёплая церковь во имя архангела Михаила (во времена святителя Митрофана в Благовещенском соборе существовал Михайловский придел, где он завещал похоронить себя). Строительство Архангельского собора вёл «искусный в каменном деле» монах Мелхиседек (1731–1788 гг.).