Он был возведён в 1528–1532 годах по указу великого князя Московского Василия III.
Строительство храма связано с рождением наследника престола — будущего царя Ивана IV Грозного. Согласно преданию, храм был построен в благодарность за дарование долгожданного сына. Архитектором сооружения считается итальянец Пьетро Франческо Анибале, известный в России как Петрок Малый. Он прибыл в Москву по приглашению Василия III и внёс значительный вклад в развитие русской архитектуры того периода.
Место для строительства храма было выбрано на высоком берегу Москвы-реки, где ранее находился источник, считавшийся целебным. Это соответствовало традициям выбора мест для храмов, основанным на сочетании природных и духовных факторов. Фундамент храма имеет «Т»-образную форму, что предполагало строительство трёхпрестольного храма без подклета. Такая планировка была характерна для ряда храмов того времени.
Архитектура храма сочетает элементы русской и западноевропейской традиций. Он построен из красного кирпича с использованием белокаменных деталей. Храм представляет собой восьмигранную башню, увенчанную шатром, что придаёт зданию устремлённость вверх. Высота храма составляет 62 метра, что делало его самым высоким зданием в Русском государстве до 1600 года. Толщина стен достигает 2,5–3 метров.
Внутреннее пространство храма бесстолпное, что создаёт ощущение простора и света. Декоративное оформление включает в себя элементы, характерные для русской архитектуры, такие как кокошники и ширинки, а также западноевропейские пилястры и вимперги. Это сочетание стилей отражает влияние итальянского Ренессанса и готики на русское зодчество того времени.
После завершения строительства в 1532 году храм стал летней домовой церковью великих московских князей и русских царей. Он использовался для богослужений и молений в тёплое время года. В 1564 году Иван IV провёл в храме двухнедельное богомолье, после чего объявил о начале опричнины.
В XVII веке храм продолжал использоваться как часть царской усадьбы в Коломенском. В это время были построены дополнительные здания, включая деревянный дворец и хозяйственные постройки. Коломенское стало любимой летней резиденцией царя Алексея Михайловича.
В XVIII веке, после переноса столицы в Санкт-Петербург, значение Коломенского как царской резиденции уменьшилось. Однако храм продолжал использоваться для богослужений. В 1767 году по указу Екатерины II был снесён деревянный дворец Алексея Михайловича, а на его месте построен новый четырёхэтажный дворец. В 1825 году дворец был перестроен по проекту архитектора Евграфа Тюрина.
В XIX веке храм сохранял своё значение как памятник архитектуры. Он привлекал внимание исследователей и художников, таких как Фёдор Алексеев, который изобразил храм на своих картинах. В это время были проведены работы по сохранению и реставрации здания.
В XX веке, после революции 1917 года, храм был закрыт для богослужений. В 1924 году архитектор и реставратор Пётр Барановский выступил с инициативой создания в Коломенском музея деревянной архитектуры под открытым небом. Храм Вознесения стал одним из центральных экспонатов музея. В 1994 году храм был включён в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.
