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 проема, с полуциркульными завершениями, крытыми фигурными кровлями – «бочками», над которыми возвышаются луковичные главки на высоких шейках с крестами. В арках сохранилась живопись  XVIII в. Собор, сооруженный 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, пятиглавй, трехапсидный, с четырехскатным покрытием, с трехчастным делением фасадов лопатками и богатым декором. Основной объем, окруженный  с трех сторон галереей, занимает второй этаж. Внушительный размеры, богатый декор наличников и их трехцветная раскраска, израсцовые пояса, украшающие галереи, яркие росписи в закомарах  создают величаво-торжественный и праздничный образ храма, призванного всем своим обликом прославлять хранимую в нем 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 объема храма размещены сцены, иллюстрирующие чудеса Христа, деяния апостолов и Акафист Богородице; на западной стене - огромное изображение Страшного суда; среди многочисленных святых, изображенных 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, первоначально, живопись переродилась в результате пожара 1745 года и приобрела сегодняшний коричневато-сероватый колорит.

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 проведен 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 г. художниками  Новгородских специальных научно-производственных мастерских.

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