Собор, построенный в 1756 году на средства известного купца И.А. Пчелина, первоначально был трехпрестольным. На верхнем этаже находился храм с главным престолом, освященным в честь Вознесения господня, а также приделом, освещенным во имя казанской иконы Божией Матери. На нижнем этаже располагался храм в честь Воздвижения креста господня с приделами, освященными во имя святителей Григория Богослова, Василия великого и Иоанна Златоуста.
Вознесенский кафедральный собор — типичный памятник русского зодчества XVIII века, построенный по принципу восьмерика на четверике. До Великой Октябрьской революции на колокольне храма были установлены механические часы. Колокольня также использовалась в качестве пожарной каланчи.
