История храма восходит к концу XVII века, когда в 1696 году по указу царя Петра I было начато строительство новой Табынской крепости. В 1698 году стольник Дмитрий Иванович Молостов заложил новопостроенный город, и с большой вероятностью тогда же появилась первая Вознесенская церковь. Имя её не случайно, так как в воспоминание погибшей Вознесенской пустыни в 1648 году, а также в связи с существованием Пречистинской церкви, где хранилась Табынская чудотворная икона Божией Матери.
В 1736 году была построена крепость с пятью бастионами, и тогда же возобновлён Вознесенский храм. Построенная при Иване Кирилловиче церковь была деревянной, как и весь Табынск. На плане 1769 года видно, что участок, выделенный под церковь, был порядка 60 на 70 метров. Храм стал вместительнее, порядка 20 на 30 метров, без ярко выраженной колокольни и трапезной. Алтарь в длину около 6 метров, а в ширину на весь храм. Очевидно, алтарная апсида вмещала все три придела. Именно в этой церкви случилось третье и последнее явление чудотворной Табынской иконы Божией Матери, где она прославилась и стала называться Табынской.
В 1793 году в Табынске случился пожар, и церковь, построенная при И.Кириллове, сгорела. Святая икона и антиминс были вовремя вынесены из храма. В 1828 году Вознесенская церковь сгорела во второй раз, когда святая икона была унесена на святые ключи. Антиминсы были спасены казаком по фамилии Кадошников.
Настоящий каменный храм был построен в 1848 году, когда крепость и земляные валы были уже срыты. Для строительства церкви на другом берегу реки Белой были построены два кирпичных завода. Кирпич готовили очень долго: месили, затем формовали и сушили, а потом около недели обжигали в печах. Известь также жгли у себя на горе Воскресенке, которую называли ещё «Шиханом».
Архитектура Вознесенской церкви выполнена в строго классическом стиле середины XIX века. Первоначально церковь состояла из квадратного в плане трёхнефного храма с апсидой и без колокольни, повторяя в плане церковь 1736 года. Позже с восточной стороны к храму был пристроен уступающий ему по ширине четверик — новый храм с крупным световым барабаном и прямоугольной апсидой алтаря. Прежний храм был превращён в трапезную, в которой остались алтари Казанской Божией Матери и святителя Николая.
Купол нового храма не был окружён колоннадой, как колокольня. После возведения по сторонам основания колокольни двухэтажных пристроек сторожки и крестильной колокольня слилась в единый массив. Сторожка всегда принимала странников и паломников, на втором этаже находилась ризничная. Всё здание выстроено из самодельного кирпича размером 25×13×7,5 см, а сторожка и крестильная — из плитняка.
На северном и южном фасаде храма были расположены входы в виде портика о двух колоннах. Два прямоугольных окна по бокам украшались по второму ярусу круглыми оконцами. Левее входа находились три больших квадратных окна трапезной. Аналогичное квадратное окно сторожки с прорезанным над ним полуциркульным остеклённым проёмом второго этажа воспринимается как единое двухъярусное окно.
В архитектуре доминирует трёхъярусная колокольня, окружённая восемью столбами, уравновешивающими массивные объёмы нижних ярусов. Плоскостное украшение всего здания характерно для классицизма середины XIX века. В простенках храма расположены слабо выступающие пилястры, несущие упрощённый архитрав и две горизонтальные тяги. Четыре мощных устоя по углам храма несли на высоких подпружных арках световой барабан.
