Территория монастыря и часть улицы, на которой он располагается, в XVI веке принадлежала боярам Романовым. Там были боярский двор и домовая церковь, освящённая во имя иконы Божией Матери «Знамение». После того как на престол взошел царь Михаил Фёдорович, палаты на Варварке стали называться Старым Государевым двором.
Существует несколько версий основания монастыря, но две из них наиболее интересны. Одна гласит, что святыня была возведена в 1631 году в память о кончине инокини Марфы. Сторонники другой теории утверждают, что монастырь основали в 1629 году в честь появления на свет наследника престола — тогда же в монастырь принесли родовую икону семьи. Кстати, некоторые источники утверждают, что она стала одной из первых икон, на которых изображена Богоматерь.
Храм был возведён в соответствии со старыми русскими традициями и имел два яруса: верхний холодный был освящён в честь иконы «Знамение», нижний носил имя святого Афанасия Афонского. Следует отметить, что в XVIII веке собор переживал свой расцвет — он был вновь расписан русскими мастерами, его стены украсила лепнина, также была пристроена колокольня, ставшая главным входом в собор.
Храм не раз переживал нелёгкие времена — сначала он попал в немилость Петра I, который почти прекратил финансирование богоугодного заведения, а во время войны с Францией наполеоновские солдаты разграбили святое место и сожгли образа святых, которые не были вывезены монахами во время Отечественной войны. Монастырь восстановили лишь к 1827 году. Чуть менее чем через 100 лет, когда к власти пришли большевики, монастырь вновь закрыли, главную икону убрали подальше от глаз (её вывезли в Иркутск), а помещения отдали под жильё. На территории монастыря возвели надворные постройки и даже конюшни, которые к 1960-м были уничтожены.
Лишь в 1992 году во вновь отреставрированном монастыре были возобновлены богослужения. В настоящее время на его территории располагаются собор, колокольная, кельи (сохранились с XVIII века), братский корпус, палаты бояр Романовых и монастырский корпус.