Строительство Благовещенского собора в поселке Воронцово началось в 1910 году, чему предшествовала история по созданию здесь женского монастыря. В 1898 г. в своем поместье в Воронцово две родные сестры-дворянки решили организовать монастырь, отдав для этих целей землю, хозяйственные и жилые постройки. За поддержкой они обратились к отцу Иоанну Кронштадтскому в Петербург. В результате отец Иоанн сам взялся за организацию обители, пожертвовал на его устройство значительные средства.
В имении Воронцово построили два двухэтажных деревянных здания. На верхнем этаже одного из них располагалась домовая церковь Казанской иконы Божией Матери, которую в 1899 г. освятил Иоанн Кронштадтский. Другое здание было предназначено для размещения келий. Также на территории имения были построены две гостиницы, баня, просфорня, хлева, конюшни, прочие жилые и хозяйственные корпуса. На средства монастыря была построена церковно-приходская школа, где обучалось порядка тридцати учащихся. Устроительницей монастыря была игуменья Таисия Леушинская, она же руководила и строительными работами, и обустройством внутренней жизни обители.
Монастырь имел свое подворье в Петербурге, которое было построено также на средства Иоанна Кронштадтского рядом со Смольным монастырем. Когда в 1908 г. скончался отец Иоанн, глубоко почитавшие его состоятельные петербуржцы решили в память о нем построить в Воронцовском монастыре Благовещенский собор – на том месте, которое указывал и освятил великий праведник. Храм строился по проекту петербургского епархиального архитектора Никонова. В Воронцово из столицы привезли кресты, металлические каркасы куполов, гранитные плиты, чтобы облицовывать цокольный этаж, керамическую плитку для полов, железные оконные рамы.
Стены возводили из кирпича, который изготавливался на месте. На строительстве пятиглавого собора работали петербургские рабочие и местные крестьяне под руководством специалистов. На возведение храма в черновом варианте ушло три года и два миллиона рублей. Еще на протяжении нескольких лет шли отделочные работы. Освящение Благовещенского собора состоялось в 1919 г.
В 1925 г. Воронцовский монастырь закрыли по постановлению губисполкома. Собор был опечатан, а все ценности и колокола были вывезены. Все монастырские постройки, в том числе, и собор передали сельскохозяйственной коммуне. Сначала собор выполнял функцию зернохранилища, а когда крыша на нем обветшала и обрушилась, его оставили без ремонта, и на протяжении десятков лет он стоял в запустении.
С 2001 г. под руководством отца Сергия Молоткова, настоятеля Благовещенского собора, по благословению архиепископа Тверского Виктора в Воронцово начались восстановительные работы и обустройство бывшей территории обители. В 2003 г. Благовещенскому собору присвоили статус памятника архитектуры федерального значения.