Символическая закладка собора произошла 18 (30) мая 1805 года, в день основания города Новочеркасска. Однако фактическое строительство каменного храма началось только в 1811 году. Первоначальный проект был разработан архитектором Алоизием Руска, но из-за недостатка строительных материалов работы были приостановлены и возобновлены лишь в 1820 году под руководством его брата Иеронима Руска. Строительство продвигалось медленно, и к 1846 году, при попытке возвести главный купол, произошел обрушение части конструкции.
В 1850 году проект был переработан архитектором Иваном Вальпреде. Однако и этот вариант собора обрушился в 1863 году. Лишь в 1891 году был утвержден новый проект, разработанный академиком архитектуры Александром Ященко. Строительство велось под руководством инженера-полковника Константина Лимаренко и завершилось в 1904 году. Окончательное освящение собора состоялось 6 мая 1905 года.
Архитектурно собор выполнен в неовизантийском стиле. Он имеет семиглавую композицию с центральным куполом и четырьмя малыми, окруженными полукружиями. Размеры собора впечатляют: он вмещает до 5 000 человек, уступая по величине только Храму Христа Спасителя в Москве и Исаакиевскому собору в Санкт-Петербурге.
В нижнем храме собора были перезахоронены выдающиеся военачальники донского казачества: атаман Матвей Платов, граф Василий Орлов-Денисов, Иван Ефремов и Яков Бакланов.
В советский период собор был закрыт в 1934 году и использовался как склад. Во время немецкой оккупации в 1942 году храм был вновь открыт, но после войны продолжал использоваться частично не по назначению. В 1986 году началась реставрация собора под руководством архимандрита Модеста (Потапова), а в 1989 году он был назначен настоятелем.
К 200-летию города и 100-летию собора в 2005 году были завершены работы по реставрации фасада, установлена система подсветки и обновлены купола, покрытые золотыми листами. В 2014 году собору был присвоен статус Патриаршего Вознесенского войскового всеказачьего собора.
