Построено в 1855-1859 годах для мужской гимназии. Проект выполнен профессором Харьковского университета, академиком архитектуры А.А. Тоном. В строительстве здания принимали участие архитекторы С.И. Соколов, В.И. Егоров, Е.Х. Гиацинтов. Строительство церкви при гимназии закончено в 1860 годы. Ранее гимназия размещалась на Большой Московской улице (в 1853-1859 годах, не сохранилась) и Большой Девиченской улице (в 1822-1853 годах, улица Сакко и Ванцетти, 102).

Большая заслуга в устройстве гимназии на новом месте принадлежала ее директору М.А. Карпинскому (1853 - 1862), входившему в состав строительной комиссии. На первом этаже здания размещались хозяйственные службы: гардеробная, кухня, пекарня, кладовая, на втором этаже - классные комнаты, библиотека, комната для учителей, кабинеты инспектора и директора, канцелярия, гимнастический зал, на третьем - музыкальная комната, буфет, столовая, спальни, физический кабинет, церковь.

С августа 1865 года в соответствии с новым уставом 1864 года гимназия стала классической с одним древним (латинским) языком. Большие изменения произошли в период директорства А.М. Белозорова в 1868-1886 годах. Им в значительной степени был сменен педагогический состав гимназии, более строгими стали требования к учащимся. В 1871 году был введен курс греческого языка и гимназия стала в полном объеме считаться восьмиклассной классической. С 1868 года по 1878 год при гимназии были открыты педагогические курсы для подготовки учителей начальных народных училищ.

Среди преподавательского состава гимназии второй половины XIX века следует отметить Н.И. Анцыферова, преподавателя математики и физики (1854-1869), занимавшегося практическими метеорологическими наблюдениями и публиковавшего их в «Воронежских губернских ведомостях», «Воронежском листке» и других местных периодических изданиях, Н.Н. Пантелеевского, преподавателя математики и физики (1876-1887), начальника Воронежского технического училища, члена губернского статистического комитета, Г.М. Веселовского, преподавателя истории (1859-1864), редактора «Воронежских губернских ведомостей», «Воронежского листка», издателя газеты «Дон», известного журналиста, краеведа и общественного деятеля, В.Г. Ростроповича, преподавателя музыки и пения (1889-1905), родоначальника знаменитой музыкальной династии; С.Н. Прядкина, воспитателя пансиона гимназии (1884-1890), педагога, редактора журнала «Филологические записки», члена губернского статистического комитета.

Гимназия имела гуманитарный уклон. Среди ее выпускников было много деятелей науки и культуры: ученый-электротехник Николай Гаврилович Славянов (1854 - 1897), публицист Юлий Алексеевич Бунин (1857 - 1921), публицист и революционер Михаил Степанович Ольминский (1863 - 1933), ученый-аэродинамик Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869 - 1942), литературовед, историк Павел Елисеевич Щеголев (1877 - 1931), краевед, инженер путей сообщения Юрий Иванович Успенский (1873 - 1929), публицист, историк-революционер Николай Николаевич Батурин (1877 - 1927), литературовед Борис Михайлович Эйхенбаум (1886 - 1959).

В 1863-1864 годах. в гимназии учился Петр Евгеньевич Астафьев (1846 - 1893), публицист, автор трудов по философским вопросам. Под влиянием краеведа Г.М. Веселовского написал первое литературное произведение - путевой очерк «От Острогожска до Ивановки», опубликованный в «Воронежских губернских ведомостях» в 1864 году. Учился на юридическом факультете Московского университета, занимался научной деятельностью, был мировым посредником в юго-западном крае, где написал работу «Очерки экономической жизни Подольской губернии» (1880), в 1880-х годах в Москве заведовал университетским отделением Московского лицея цесаревича Николая, где читал лекции по логике, психологии, этике. Был деятельным сотрудником журнала «Вопросы философии и психологии».

В 1866 году окончил гимназию Григорий Григорьевич Ткачев (1847 - 1867), воронежский краевед, автор ряда статей по истории и этнографии Богучарского уезда Воронежской губернии, написанных еще в пору обучения в гимназии и опубликованных в «Памятной книжке Воронежской губернии на 1865-1866 годы» и в «Воронежских губернских ведомостях» за 1864-1865 годы.

В 1879 году поступил в приготовительный класс гимназии Александр Иванович Милютин (1869 - 1907), будущий воронежский историк-краевед, археограф, филолог, один из активных членов Воронежской архивной ученой комиссии. А.И. Милютин участвовал в разборе и описании воронежских актов XVII-XVIII веков, провел обследование ряда археологических памятников Воронежского края (Маяцкого и Казарского городищ, мастюгинских курганов).

В 1880-е годы в гимназии учился Александр Александрович Борзов (1874 - 1939), географ. Его именем названы курган на Курильских островах, залив на Новой земле и ряд других географических объектов.

В 1893 году гимназию окончил Андрей Гаврилович Русанов (1874 - 1949), врач-хирург, профессор, общественный деятель. С 1906 года он являлся старшим врачом губернской земской больницы, с 1919 года в течение тридцати лет заведовал кафедрой госпитальной хирургии Воронежского государственного университета. Был дружен с семьей Л.H. Толстого, являлся автором воспоминаний о писателе.

В 1902 году закончил гимназию с золотой медалью Евгений Иванович Замятин (1884 - 1937), русский писатель. Тягу к сочинительству он почувствовал в гимназии, где увлекался произведениями Н.В. Гоголя, Ф.М. Достоевского, Н.С. Лескова. В дореволюционный период написал повесть «Уездное» (1913), основанную на впечатлениях от провинциальной жизни. За антивоенную повесть «На куличках» (1914) был привлечен к суду. В советское время написал роман-антиутопию «Мы», представляющую собой пародию на казарменное социалистическое государство. В 1932 году эмигрировал.

В гимназии учился Евгений Павлович Плужник (1898 - 1936), украинский советский писатель и поэт, уроженец слободы Кантемировка Воронежской губернии. Его творческая деятельность началась в 1923 году на Украине, где вскоре были напечатаны сборники стихов «Дни», «Ранняя осень», роман «Недуга». В переводах Е.П. Плужника на украинский язык выходили произведения Н.В. Гоголя, А.П. Чехова, Л.Н. Толстого, М. Горького. Впоследствии был репрессирован, умер в лагере на Соловецких островах. Реабилитирован посмертно.

В 1904 году окончил гимназию Георгий Петрович Федотов (1886 - 1951), русский философ и публицист. В гимназии увлекался чтением русской публицистики, под влиянием которой обратился к социальным теориям. Учился в Петербургском технологическом институте, занимался пропагандой марксизма, за что был арестован и выслан в Германию. По возвращении в Петербург в 1908 году поступил учиться на историко-филологический факультет университета. В 1920-х годах руководил кафедрой средних веков Саратовского университета. В 1925 году эмигрировал. В 1990 году в нашей стране была издана книга Г.П. Федотова «Святые Древней Руси».

В 1913-1917 годах в гимназии учился Юрий Петрович Щукин (1903 - 1935), художник, живописец, пейзажист, театральный декоратор. В годы обучения увлекался народным кукольным театром, организовал передвижной театр Петрушки. В 1919 году поступил в открывшиеся в Воронеже Свободные художественные мастерские, затем продолжал обучение в Московских высших государственных художественно-технических мастерских.

С 1918 года в здании гимназии разместился медицинский факультет прибывшего из Юрьева университета. Здесь расположились теоретические кафедры, в том числе с 1922 года кафедра фармакологии, которой заведовал в этот период профессор Д.М. Лавров, видный фармаколог и физиолог-химик, а с 1926 года - кафедра социальной гигиены. Оборудование ее было начато с создания книжного фонда, в основу которого легла библиотека санитарного бюро Воронежского губернского земства. Возглавлял кафедру Тихон Яковлевич Ткачев (1865 - 1970), врач-гигиенист, профессор, организатор советского здравоохранения.

Во время Великой Отечественной войны здание пострадало незначительно, и в 1943 году было занято областным комитетом партии, для которого к заднему фасаду был пристроен новый корпус. В 1959 году здание передано вернувшемуся из Ленинграда технологическому институту. Реставрация памятника проводилась в 1981-1985 годах Воронежской реставрационной мастерской.

Здание гимназии имеет выразительный облик, в котором отразились черты средневековой архитектуры, свойственные романтическому направлению эклектики середины XIX века. При этом здание отличается ясностью и монолитностью объемной композиции и лаконизмом декоративных приемов.

Первоначальный объем здания прямоугольный в плане, двухэтажный с высоким полуподвалом со стороны главного фасада и трехэтажный из-за перепада рельефа со двора. Чуть повышенная центральная часть здания выступает на главном фасаде и фланкирована ризалитами, между которыми находится крыльцо входа. На заднем фасаде выступают боковые ризалиты и крыло середины XX века в центре. Углы здания рустованы; стены завершены массивной, напоминающей машикули аркатурой, которая в средней части дополнена простой аркатурой и низкой парапетной стеной. Тема арки повторяется в форме окон верхних этажей (в ризалитах, в середине торцов - окна сдвоеные) и в их обрамлении. Оконные переплеты в верхней части стрельчатые. Оштукатуренные побеленные детали декора выделяются на фоне красной кирпичной кладки стен.

Заднее трехэтажное крыло связано с основным объемом узким переходом. Суховатый декор стен, выполненный с преобладанием классицистических форм, неоправданно обилен для дворовой части. Он состоит из межоконных лопаток, межэтажных карнизов и подоконных ниш. Над окнами третьего этажа, соответствующими актовому залу, - люнеты.

Планировка оптимальна для учебных зданий и одинакова на всех этажах: продольный коридор в центре, лестницы в торцах и в середине корпуса. Широкие коридоры перекрыты лучковыми сводами. Необычно положение главной лестницы, расположенной со смещением от оси и развернутой вдоль корпуса. Очень нарядные металлические перила лестницы имеют растительный рисунок с чертами модерна.

С 1959 года в здании размещается Воронежский технологический институт, переименованный в 1990-е годы в Воронежскую технологическую академию.