Главная святыня Покровского кафедрального собора - ковчег с частицей мощей святителя Митрофана, первого епископа Воронежского. Каждый четверг за вечерним богослужением духовенством собора совершается акафист святителю Митрофану нараспев.

В 2004 году в Покровский кафедральный собор благодаря стараниям и молитвам митрополита Воронежского и Борисоглебского Сергия были принесены иконы святителя Николая

и преподобного Серафима Саровского

с частицами мощей. Так же в соборе находятся иконы с частицами мощей святителя Димитрия, епископа Ростовского

и святителя Иннокентия, митрополита Московского. 

Немало чудес связано с чудотворной Иверской иконой Божией Матери. Прихожане в благодарность за помощь и исцеления жертвуют Матери Божией различные ценные украшения. Известны случаи, когда молитвы родственников перед этим чудотворным образом помогли роженице (будущей маме сулили тяжелые роды) легко разрешиться от бремени. Помогает Царица Небесная и в сохранении семейных отношений, и в учебе. Помолиться Иверской иконе Божией Матери, испросить помощи и заступление в собор приезжают паломники со всей России. 

Так же почитается образ Божией Матери Тихвинской:

В трапезной части собора особо почитается икона великомученика и целителя Пантелеимона.