Собор, начатый еще свт. Митрофаном, так и не был достроен. Само его здание было непрочно, пошли трещины. Работы приостановили, завершив только придельную церковь Архистратига Михаила, но и ее не освятили, богослужение совершалось в малом деревянном соборе свв. апостолов Петра и Павла с приделом Трех святителей.
В 1718 г., по указанию митрополита Воронежского Пахомия, недостроенный собор был разобран, и построен новый, освященный 9 ноября 1735 г. епископом Воронежским Иоакимом. В нем установили иконостас прежнего собора, современный епископу Митрофану.
Поначалу, в соборе было три придела: в правой пазушине (впоследствии на этом месте были установлены южные алтарные двери) преосвященный Пахомий устроил придел Успения Божией Матери. В правом крыле собора был устроен придел св. Иоанна Милостивого, в память светского имени владыки Иоакима. В левом крыле собора епископ Феофилакт устроил придел во имя Федора Стратилата, в память своего светского имени.
В 1765 г. преосвященный Тихон I (Соколов) установил публичное преподавание Христианского закона в Благовещенском соборе по воскресным дням. Четыре года занятия вел студент Московской духовной академии Иван Турбин, ставший впоследствии протоиереем кафедрального собора.
В 1770 г. епископ Воронежский Тихон II начал переделку иконостаса главной церкви, но в 1775 г. он был переведен на другую епархию и завершить иконостас не успел. В 1784 г. епископ Воронежский Тихон III не только устроил новый иконостас, но и перестроил само здание собора. Для распространения главной церкви, были уничтожены все приделы, стены храма покрылись великолепной итальянской живописью. 18 октября 1786 г. кафедральный Благовещенский собор был заново освящен.
В 1831 г. началась новая перестройка собора, в ходе которой под разобранном помостом старого собора были обнаружены мощи свт. Митрофана. В следующем году Воронеж стал свидетелем торжественного открытия мощей своего великого подвижника.
Это было 6 августа, праздник Преображения Господня. В городе служили литургию два архипастыря: епископ Антоний в Девичьем монастыре, у храмового праздника, и архиепископ Тверской Григорий, командированный член Св. Синода – в Михайловском соборе. После обедни, в 12 часов начался благовест Благовещенского собора к открытию св. мощей. Из всех городских церквей, под колокольный звон, духовенство с хоругвями, крестами и иконами, шло в собор. Богомольцев собралось около пятидесяти тысяч человек. Хмурое небо над Воронежем, с самого утра затянутое тучами, прояснилось. На исходе второго часа, из архиерейских покоев вышли оба владыки, проследовали в Михайловский собор и облачились в полное облачение. После предначинательного моливословия, священный ход, под сенью хоругвий, прошел в Благовещенский собор, где пели 33 псалом, а первенствующий архиерей кадил иконы и мощи, обходил могилу с трех сторон, окропил святой водой новую кипарисную раку, покров для святых мощей и лентионы, приготовленные для поднятия мощей из могилы. Протодиакон возгласил: «со умилением преклонше колена, святителю помолимся». Клир пел: «Святителю Отче Митрофане, моли Бога о нас». Все преклонили колена, первенствующий архиерей произнес молитву свт. Митрофану. Духовенство пело краткую молитву «Господи помилуй». Потом два протоиерея, получив благословение от архиереев, спустились в могилу и подложили лентионы под нижнюю доску. Один из архиереев стоял против головы свт. Митрофана, другой против ног. Когда святые мощи показались из могилы, все пали на колени. Архиереи, приняв мощи, переложили их в приготовленную новую раку, и покрыли белым атласным покрывалом. Началось молебное пение свт. Митрофану. В продолжении предначинательного молитвословия и трисвятой песни, архиереи кадили окрест святые мощи, по чину святительскому. После пения тропаря свт. Митрофану, двенадцать иереев подняли раку и с возглашения первенствующего архиерея «с миром изыдем», началось шествие из Благовещенского собора, через южныме врата. Впереди несли хоругви храмов, а за ними шли певчие и пели «Правило веры и образ кротости, воздержания учителя, яви тя стаду твоему, яже вещей истина». За певчими следовало духовенство всех воронежских церквей. За ними четыре иерея несли икону свт. Митрофана от его раки, за ними губернатор и чиновники несли великолепный балдахин, а за ними два архиерея несли мощи свт. Митрофана. При появлении мощей на улицах, народ охватывала радость, падали на колени, молились новоявленному святому. Священное шествие продолжалось к востоку, вокруг Благовещенского собора, мимо архиерейского дома, через площадь, к Архангельскому собору. В Архангельском соборе мощи поставили на возвышенное место перед алтарем. После чтения Евангелия, к мощам прикладывались архиереи, духовенство и богомольцы. После этого в соборе началась малая вечерня, и крестных ходы прочих церквей возвратились в свои церкви. В 6 часов началось всенощное бдение, которое совершали оба архиерея. Всю службу духовенство и богомольцы продолжали прикладываться к мощам. Люди шли к мощам и после окончании службы, тогда было прочитано духовное завещание свт. Митрофана к своей пастве.