Храм имеет два боковых придела, освященных во имя святителя Николая и преподобного Серафима Саровского, здесь хранится икона преподобного Серафима с частицей его мощей.

В 1703 году (по другим данным - в середине XVII века) на месте нынешнего храма был построен деревянный храм в честь иконы Божией Матери «Знамение» (Абалацкая), построенный дворянином Иваном Качаловым, происходившим из угличан. После убийства в 1591 году царевича Дмитрия 200 угличан были казнены, множество сослано в Сибирь, позднее в Томске ими был основан исторический район «Заозёрье». Угличане привезли с собой икону Божией Матери «Знамение», выполненную на чёрном камне, давшую название храму.

В 1789—1810 было возведено нынешнее каменное здание храма на средства дворян Качаловых, потомков первостроителей храма.

В 1920 году церковь была национализирована и передана верующим в пользование. В конце декабря 1932 года между общинами Знаменской, Никольской церквей и Благовещенского собора произошел обмен храмами, в результате которого община Знаменской церкви заняла Благовещенский собор, а в Знаменскую церковь перешла община староцерковников ориентации митрополита Сергия Нижегородского из Никольской церкви и была перенесена кафедра епископа сергиевской ориентации.

25 марта 1934 года церковь была закрыта под предлогом ветхости храма и малочисленности общины. Позднее центральный купол, колокольня и Всехсвятский придел были разрушены. В 1992 году развалины храма были возвращены Русской Православной Церкви и силами общины Свято-Троицкой церкви восстанавливались до декабря 2005 года