Собор расположен на Торговой стороне Великого Новгорода, рядом с всемирно известной церковью Спаса Преображения на Ильине улице.

Храм был заложен на месте существовавшей с XIV века и разобранной в 1682 году Знаменской церкви. Памятник находится в восточной части комплекса Знаменского подворья, в который нужно войти через расположенные в северном его корпусе святые ворота, представляющие собой два сквозных проёма с полуциркульными завершениями, крытыми фигурными кровлями – «бочками», над которыми возвышаются луковичные главки на высоких шейках с крестами. В арках сохранилась живопись XVIII века. Собор, сооружённый по заказу новгородского митрополита Корнилия, строился при участии московских каменщиков, мастеров из Ярославля и Костромы и новгородских плотников. Архитектурные особенности здания, более характерные для Москвы и Поволжья, позволяют считать собор самым «неновгородским» в городе.

Храм кубический, пятиглавый, трёхапсидный, с четырёхскатным покрытием, с трёхчастным делением фасадов лопатками и богатым декором. Основной объём, окружённый с трёх сторон галереей, занимает второй этаж. Внушительные размеры, богатый декор наличников и их трёхцветная раскраска, изразцовые пояса, украшающие галереи, яркие росписи в закомарах создают величаво-торжественный и праздничный образ храма, призванного всем своим обликом прославлять хранимую в нём чудотворную святыню — икону «Богоматерь Знамение».

Стенопись выполнена в характерном для эпохи «декоративно-повествовательном» стиле. Художественные работы были осуществлены в течение весенне-летнего сезона 1702 года более чем тридцатью мастерами из Костромы, Ярославля и Москвы во главе с подрядчиком Иваном Бахматовым. Декорация алтаря имеет литургический характер; в куполе изображено «Отечество»; на южной и северной стенах основного объёма храма размещены сцены, иллюстрирующие чудеса Христа, деяния апостолов и Акафист Богородице; на западной стене — огромное изображение Страшного суда. Среди многочисленных святых, изображённых на столбах в восточной части храма и оконных откосах, представлены особо чтимые новгородские святые. Западное крыльцо украшено сценами Апокалипсиса, в галерее — «Чудеса и деяния Христовы» и «Вселенские соборы». Многоцветная первоначальная живопись изменилась в результате пожара 1745 года и приобрела сегодняшний коричневато-сероватый оттенок.

Вместе с иконостасами и изделиями прикладного искусства настенная живопись создавала стилистически цельный, гармоничный художественный комплекс, прекрасно сочетающийся с архитектурой. Пожары, ремонты и Великая Отечественная война частично разрушили этот уникальный ансамбль. В 1950-е годы был проведён комплекс ремонтно-восстановительных работ. Реставрационные работы проводились в 1960–1970-е годы под руководством архитектора Г.М. Штендера. В это же время московскими художниками-реставраторами Г.С. Батхелем и В.Г. Брюсовой проводились работы по спасению живописи, а с 1974 года — художниками Новгородских специальных научно-производственных мастерских.

В 1992 году Знаменский собор внесён в список Всемирного культурного наследия ЮНЕСКО. В настоящее время храм открыт для посещения как памятник архитектуры и монументальной живописи.