Строительство деревянного храма началось в декабре 1912 года и завершилось к июню 1913 года. Церковь была однопрестольной, с колокольней, покрытой железом. Технический надзор за строительством осуществлял городской архитектор Фёдор Рамман.
6 апреля 1913 года храм был освящён в честь Вознесения Господня благочинным протоиереем Николаем Завадовским. Это была седьмая церковь в Новониколаевске. Первым настоятелем храма с 1 апреля 1913 года стал священник Гавриил Лебедев.
В предреволюционные годы храм, расположенный на северной окраине города, считался одним из беднейших и малопосещаемых. Штат состоял из одного священника и одного псаломщика. В 1914 году священник Александр Смычков, ранее возглавлявший строительный комитет, был призван в армию и назначен священником 53-го полка.
В 1921 году, после образования Ново-Николаевской губернской епархии, Вознесенская церковь стала кафедральным собором. Усилиями первого новосибирского архиерея, митрополита Никифора (Асташевского), к храму был пристроен придел во имя Николая Чудотворца, освящённый в 1925 году.
В 1937 году, после ареста архиепископа Сергия (Василькова) и группы духовенства, храм был закрыт и использовался как зернохранилище. В 1944 году, благодаря стараниям архиепископа Варфоломея, здание было возвращено церкви. В марте 1946 года на звоннице появились колокола, а в 1947 году был пристроен второй придел во имя преподобного Серафима Саровского, где впоследствии был погребён митрополит Варфоломей. В этом же году храм получил статус кафедрального собора.
К 1970-м годам деревянный собор обветшал. В 1971 году рядом с ним был открыт цирк, что привело к утрате одного из входов, а здание оказалось в низине. В 1974 году, по инициативе епископа Гедеона (Докукина), началась реконструкция: перестроена западная часть, увеличен притвор, заменены внутренние колонны. Новые кирпичные стены были скрыты под деревянной обшивкой для сохранения внешнего вида. В 1976 году стены всех трёх алтарей заменили на кирпичные, а в 1979 году освятили нижний храм в честь святого Александра Невского и праотца Гедеона.
К 1000-летию Крещения Руси в 1988 году реконструкция собора была завершена: здание стало полностью каменным, внутренние стены украшены росписью, снаружи в люнетах над входами размещены мозаики. Автор проекта реконструкции, В. П. Авсентюк, был удостоен премии имени Ленинского комсомола.
В 1990-х годах благоустроили прилегающую к собору территорию: в 1996 году построена часовня во имя Всех Святых, в земле Сибирской просиявших, а в 1998 году — административный корпус. В 1999 году, к 75-летию Новосибирской епархии, отреставрирован и заново вызолочен главный иконостас собора. В 2011 году выполнено обновление росписей и реставрация иконостасов Серафимовского и Никольского приделов.
