Собор Вознесения Господня в Великих Луках ведет свою историю с XVII века. На месте нынешнего храма первоначально находился Ильинский мужской монастырь, основанный в неизвестный период и сожженный в 1610 году во время Смутного времени. Восстановлен монастырь был в 1643 году. В 1675 году на его месте учредили женский Вознесенский монастырь, куда перевели монахинь из разрушенного Введенского монастыря.
Первый соборный храм в честь Вознесения Господня построен в 1692 году. Новое здание возведено в 1715 году, но в 1719 году оно сгорело вместе с другими монастырскими постройками. С 1724 года в монастыре разрешено каменное строительство. Ныне существующий кирпичный собор достроен в 1752 году по инициативе игуменьи Маргариты Карцевой. Храм имел три престола: главный — в честь Вознесения Господня, а также приделы святого пророка Илии и святых благоверных князей Бориса и Глеба, пристроенные в 1826 году.
Архитектурно собор выполнен в стиле русского барокко. Основной объем представляет собой восьмерик на четверике, завершающийся куполом с восьмигранным барабаном и луковичной главкой. С севера и юга к нему примыкают приделы. Под всем зданием имеется подвал. Углы четверика оформлены рустованными лопатками, восьмерика — тонкими угловыми лопатками. Оконные проемы имеют три формы оформления: прямоугольные, арочные и с лучковым завершением.
Вознесенский женский монастырь закрыт в 1918 году, а в мае 1925 года прекратились богослужения в соборе. В конце 1930-х годов разобрана колокольня храма, на ее месте построен жилой дом. В период Великой Отечественной войны здание не получило необратимых повреждений, но в послевоенные годы городские власти провели работы по приведению его в «некультовый вид»: уничтожены венчающие четверик восьмерики. Помещение использовалось под жилье, а с 1950 года — как торговый склад.
В 1990 году храм возвращен верующим и заново освящен. В 1990-1993 годах проведена реставрация с восстановлением завершений и колокольни, часть диссонирующих построек снесена. При восстановлении допущены отклонения от первоначального облика: трапезная устроена в объеме бывшего притвора, расширено пространство западной галереи, колокольня передвинута. Новая паперть у западной стороны собора имеет бочкообразное покрытие, не соответствующее стилю барокко.
