Храм Вознесения Господня в Камышине был построен в 1867 году на средства горожан, преимущественно на пожертвования купца Михаила Ковалёва. В 1871 году церковь получила статус соборной. Архитектурный стиль здания представлял собой эклектику с элементами классицизма и псевдорусского стиля. Основное здание было квадратным в плане, увенчанным пятью шатровыми главами, центральная из которых имела арочные окна.
В 1881-1882 годах перед входом в собор была возведена отдельно стоящая колокольня высотой 53,3 метра с церковью во имя благоверного князя Александра Невского. На колокольню был поднят колокол весом 200 пудов (3,2 тонны), пожертвованный купцами Самсоном Карповым и Петром Шемякиным. В 1912 году его заменили новым колоколом весом 460 пудов (7,5 тонн).
В 1935-1936 годах собор был разобран на кирпичи, которые использовались для строительства школы №1, детского сада и стеклотарного завода. Колокола были сняты и отправлены на переплавку в 1933 году. По некоторым сведениям, первоначально их планировали утопить в реке Камышинке, но в итоге они были переплавлены для нужд промышленности.
На месте собора, располагавшегося на территории современной площади Павших Борцов (бывшей Базарной площади) и стадиона «Авангард», не сохранилось никаких следов. В настоящее время на новом кладбище Камышина находится одноимённый храм, продолжающий традиции дореволюционного собора.