Является важным композиционным элементом в панораме приречного района, раскрывающейся со стороны Чернавского моста.
В апреле 1735 года П.Н. Гарденин направил прошение воронежскому епископу Иоакиму: «Желаю я, нижепоименованный, по намеренному своему обещанию в граде Воронеже в Беломестной слободе построить вновь святую каменного здания церковь во имя Пресвятой Богородицы Тихвинской с приделом, в котором желаю быть во имя преподобных отец наших Онуфрия Великого и Петра Афонского, из своего собственного единого кошта для того, что от других градских церквей имею жительство в дальнем расстоянии».
Вскоре неподалеку от жилого дома фабриканта была заложена церковь. В 1741 году освятили придел во имя святых Онуфрия и Петра во втором ярусе трапезной. В 1746 году была освящена вся церковь, получившая название Тихвино-Онуфриевской. В 1758 году деревянный придел во втором ярусе сгорел, при пожаре повредились каменные своды трапезной. Через четыре года сыновья П.Н. Гарденина Иван, Яков и Андрей восстановили домашнюю церковь. В ней было устроено два каменных придела в трапезной. В 1795 году церковь была перестроена и расширена. Последний раз в дореволюционное время она подвергалась реконструкции в 1873 году. Алтари приделов тогда были вынесены из трапезной и поставлены в один ряд с главным алтарем.
В начале XX века на церковной земле находились каменная сторожка, сарай для топлива, открытая в 1894 году церковноприходская школа. В 1907 году храм получил в дар два дома под богадельню. Приход церкви насчитывал 1 088 человек, проживавших на окрестных улицах. С октября 1893 года в течение полутора десятилетий священником Тихвино-Онуфриевской церкви был Василий Петрович Горьковский (1864 - 1938), впоследствии принявший монашеский постриг под именем Владимира. В 1927 году он занимал пост епископа Богучарского, викария Воронежской епархии. В 1937 года, будучи епископом Ульяновским, репрессирован.
В годы гражданской войны, в конце 1919 - начале 1920 годов, на территории Тихвино-Онуфриевской церкви губчека разместила концлагерь, где содержалось несколько сотен человек. С 1920 года до 1932 год в храме проводились богослужения, затем здание было отдано под производственные нужды, при этом разобраны верхние ярусы колокольни. До начала 1980-х годов в церкви находилась фабрика «Игрушка». В 1978 году в Воронежских реставрационных мастерских был выполнен первый проект восстановления церкви (авторы - архитекторы И.М. Сергеев и Г.А. Чесноков). В начале 1980-х годов разработан другой проект (архитектор Ю.П. Атанова), предусматривающий использование здания под музейные цели. В процессе реставрационных работ была восстановлена крыша трапезной и купол храма с кованым крестом. В октябре 1990 года церковь передана в ведение епархии, которая продолжила работы, в частности восстановила колокольню.
Здание состоит из разновременных частей. Наиболее ранним является ядро храма - высокий четверик, над которым возвышается восьмеричок, несущий главку. К четверику примыкают чуть более поздние объемы XVIII века - средняя апсида храма и трапезная с основанием колокольни. Боковые приделы с алтарными апсидами относятся к последней четверти XIX века. На их кирпиче стоит характерное для воронежских построек этого периода клеймо «НК». Под карнизом основного четверика располагаются маленькие восьмигранные окна, на северной и южной стенах - пары высоких окон с лучковой перемычкой. Окна трапезной также имеют лучковое завершение. К первоначальным элементам декора относятся пилястры, крепующие углы основного четверика и трапезной, многорядные мелкопрофилированные венчающие карнизы. Особенно выразительны барочные очертания восьмерика с волютообразными выступами ребер. Пучки колонн на углах передают характерную для барокко пластику восстановленного объема колокольни. Фасады приделов выполнены в духе классицизма - завершены
крупными треугольными фронтонами и прорезаны тремя арочными окнами. Входы в приделы с запада также арочные.
Внутренние ячейки церкви перекрыты системой разнообразных сводов: главный четверик - сомкнутым сводом со световым кольцом, приделы - парусными, трапезная - крестовыми сводами. В интерьере фрагментарно сохранилась отделка XIX века в виде филенок и розеток.