Строительство храма было завершено в 1756 году на средства купца Ивана Андреевича Пчелина, чей дом находился рядом с храмом.
Архитектурно собор представляет собой типичный образец русского зодчества XVIII века, построенный по схеме «восьмерик на четверике». Восьмерик завершается сферическим куполом со световым барабаном и главой. С западной стороны к храму примыкает трапезная. В начале XX века к трапезной с севера и запада прилегала двухъярусная открытая галерея-гульбище, а с северо-запада располагалась четырёхъярусная колокольня с семью колоколами и городскими часами с боем на четвёртом ярусе. Декоративное убранство включало белокаменные резные наличники окон в стиле барокко.
В дореволюционный период собор был пятипрестольным: на втором этаже располагался главный престол в честь Вознесения Господня и придел во имя Казанской иконы Божией Матери; на первом этаже — храм в честь Воздвижения Креста Господня с приделами во имя святителей Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоуста, а также святителей Гурия и Варсонофия Казанских чудотворцев. Интерьер отличался богатством отделки, включая пятиярусный иконостас с деревянной резьбой. Особо почитаемой святыней являлась небольшая резная икона с изображением святителя Николая Чудотворца и великомученика Георгия Победоносца.
В начале XX века духовенство храма активно занималось просветительской деятельностью. На территории прихода действовали различные учебные заведения, включая высшее начальное училище, женскую гимназию, реальное училище и другие.
В советский период, начиная с 1920-х годов, храм подвергся значительным изменениям. В 1937 году он был закрыт, здание использовалось под различные нужды: радиокомитет, пивной склад, художественные мастерские, а затем пивзавод. В этот период были утрачены колокольня, каменная ограда, галерея, а также внутренние росписи.
В 1992 году здание было возвращено Русской Православной Церкви. К 1995 году были освящены верхний и нижний храмы, возобновились регулярные богослужения. В 2008–2009 годах была восстановлена колокольня.
