Собор был построен в 1688 году на месте древней церкви Знамения, сооруженной для иконы «Знамение Пресвятой Богородицы», по легенде, защитившей Новгород от превосходивших численностью суздальцев в 1170 году. Древняя икона с тех пор почитается как одна из главных святынь города и сейчас находится в Софийском соборе, рядом с алтарем.
Знаменский собор — типичный памятник русского зодчества XVII века, фасады которого декорированы фресковой росписью и изразцовыми вставками. Роспись интерьера выполненная костромскими мастерами в 1702 году, прекрасно сохранилась, интересна мотивами светского характера. Среди фигур огромной композиции «Страшного суда», занимающей всю западную стену, есть изображение человека в коротком «немецком» платье и башмаках, черты лица которого удивительно напоминают русского царя Петра I.
В Знаменском соборе нередко проходят концерты духовной хоровой музыки.