По указу Вятской духовной консистории № 3360 от 12 октября 1815 г. Димитриевская церковь переименована в Благовещенский собор. В этом же году была выдана храмозданная грамота на постройку каменного собора во имя Благовещения Пресвятой Богородицы с двумя приделами в честь Св. Николая Чудотворца и Св. Димитрия Ростовского.
Строился храм на средства обывателей Воткинского завода. Фундамент собора был заложен в 1817 г., а строительство закончено в 1818 г., тогда же освятили 2 придела в теплой церкви: правый – Николаевский и левый – Димитриевский. Холодный храм собора освящен 29 июля 1828 г. во имя Благовещения Пресвятой Богородицы. В 1841 г. придельные престолы в связи с заменой иконостаса вновь освящены: Николаевский престол освящен в честь Владимирской иконы Божьей Матери, второй престол – в честь Св. Димитрия Ростовского.
В 1845 г., в связи с перестройкой главного иконостаса собора, престол был вновь освящен 22 февраля 1845 г. с тем же названием – во имя Благовещения Пресвятой Богородицы. В 1863 г. храм расширили, престолы остались те же: главный – Благовещенский, правый – Владимирский, левый – Димитриевский.
В 1882 г. при соборе открыто церковно-приходское попечительство. На средства попечительства содержалась женская церковно-приходская школа и церковный хор. Богатой библиотекой собора пользовались не только священнослужители, но и прихожане.
К 1896 г. в состав прихода собора входили Воткинский завод, д. Дремина, д. Закураловка, д. Сидоровка, д. Кленовая, д. Листвянка, д. Большая Кварса, д. Денежный Ключ, д. Кварсинская Гарь, д. Малиновая Гарь, д. Кытышки, д. Черепановка, д. Луговая, д. Чирки, д. Болгуры, д. Гусево, д. Верхняя Талица, д. Гавриловка, д. Заболотная, д. Евсина, д. Фертики, д. Соломенники, д. Белокрылиха, д. Метляки, д. Епифаново, д. Кокуи, д. Артимоны, д. Нижняя Талица, д. Неумойно, д. Малая Межная, д. Лотки, д. Тихий Ключ, д. Малиновка, д. Соколы, д. Костенки, д. Косачи, д. Усть-Речка, поч. Закварсинский, поч. Бажуков.
На 1913 г. к собору были приписаны 3 церкви: Преображенская кладбищенская, Николаевская и Александровская домовая богаделенная и 12 часовен в деревнях: Заболотная, Кварсинская, Неумоинская, Черепановка, Гавриловка, Гришанки, Болгуры, Евсина, Епифановская, Кокуевская, Кленовская, Косачи.
Благовещенский собор закрыт на основании постановления президиума Сарапульского окрисполкома от 15 марта 1929 г. № 123. Здание передано под кинотеатр.