В источниковой базе не сохранилось сведений о строительстве первой деревянной церкви, но известно, что Вознесенская церковь освященная в честь праздника Вознесения Господня, построенная до 1621 года дала название поселению — село Вознесенское на Сарапуле.
В 1757 году деревянная Вознесенская церковь в Сарапульской дворцовой слободе стала называться соборной. Во время Пугачевского бунта 1773—1775 годах в Вознесенском соборе хранилась чудотворная икона Святителя Николая из села Берёзовки.
В ночь на 9 июня 1776 г. Вознесенская соборная церковь сгорела вместе с Покровской и Леонтия Ростовского Чудотворца церквами и уже 2 июля 1776 г. епископом Вятским и Великопермским Лаврентием была выдана храмозданная грамота № 1555 на строительство небольшой временной деревянной церкви с тем же названием.
Однако в 1777 г. на Соборной площади города приступили к строительству каменного собора. Интересный факт, исключительный в истории не только православия, но и всего христианства, что помимо средств прихожан использовался и кредит: в 1781 году для строительства Вознесенского собора было занято в Николо-Березовке 200 рублей.
16 марта 1785 г. был освящен главный престол во имя Вознесения Господня.
22 сентября 1790 года в общественном доме при Вознесенском соборе открылось первое в Сарапуле, Удмуртии и Прикамье учебное заведение — народное училище.
В 1793 построена колокольня. В теплой церкви устроены 2 престола: левый – освящен 17 ноября 1802 г. в честь Казанской иконы Божьей Матери, а правый освящен 1 сентября 1808 г. в честь Богоявления Господня.
В 1813 году 183 военнопленных французских солдата и офицера на Соборной площади построили торговые ряды.
После учреждений в 1889 г. в г. Сарапуле епархиального управления собор стал именоваться кафедральным – первый в Сарапуле и Прикамье.
В 1892 г. при главном храме г. Сарапула была открыта первая в Прикамье общественная организация — православное просветительско-миссионерское Вознесенское братство, которое ставило своей основной целью “религиозно-нравственное воспитание народа и ограждение православных христиан от пагубных влияний сектантов и иноверцев”. Почетными членами Братства были обер-прокурор Священного Синода К.П. Победоносцев и товарищ обер-прокурора В.К. Саблер, которые приняли это звание и выразили свою благодарность за оказанную честь. В 1894 г. совет Братства открыл при соборе книжный склад учебных пособий, богослужебных книг, брошюр религиозно-нравственного, церковно-исторического, противораскольнического, противосектантского содержания, а также специальных религиозных книг на «инородческих» языках, издаваемых Казанской переводческой комиссией, основанной при братстве Св. Гурия. В 1906-1908 годах членом Совета братства был священник Николай Блинов.
В конце XIX века колокольня надстроена третьим ярусом и завершена каркасным шатром. Длительное время считалось, что существовавший до Октябрьской революции, и восстановленный в 2007 году по проекту Ивана Аполлоновича Чарушина Михайловский собор в Ижевске изначально планировалось строить на месте Вознесенского собора в Сарапуле. Источниками легенды вероятно стало совпадение время строительства Михайловской церкви, реконструкции Вознесенского собора, и имя архитектора. В этом году Михаилом Валентиновичем Курочкиным обнаружен проект Вознесенского собора в Сарапуле из которого следует, что Чарушинские проекты храмов в городе Сарапуле и посёлке Ижевского завода самостоятельные и независимые произведения зодчего.
В 1904 году в Соборе святой праведный протоиерей Иоанн Кронштадтский совершил, совместно с епископом Михеем (Алексеевым) и в сослужении 24 местных и приглашенных из уезда священников, Божественную литургию.
В Вознесенском кафедральном соборе в феврале 1914 года были упокоены останки епископа Мефодия (Великанова), первого и единственного архиерея почившего в Сарапуле.
Первое и единственное рукоположение в архиереи Русской Православной Церкви произошло 11 февраля 1923 года, когда Сарапульский епископ Алексий (Кузнецов) и Ижевский епископ Стефан (Бех) в Вознесенском кафедральном соборе города Сарапула совершили хиротонию архимандрита Георгия (Анисимова) во епископа Елабужского.
С Вознесенским собором была связана жизнь города и Прикамья, не только первые, а зачастую и единственные события зачастую далекие от нынешней церковной деятельности: первое учебное заведение, первая библиотека, первое благотворительное заведение и т.д. Именно Вознесенский собор отмечал вехи жизни всех выдающихся сарапульцев: семьей Башениных, Воронцовых, Дуровых, Дедюхиных, Корешевых, Шитовых…
Известен храм и чудесами: Собор был украшен деревянными скульптурами Иисуса Христа, апостолов и святых. Когда в православии, в очередной раз, началась борьба со скульптурными изображениями, они были сняты со стен, а потом кто-то обратил внимание, что фигура изображавшая страдания Спасителя на кресте представлена Христом-скорбящим. Второе: Когда-то в Вознесенском кафедральном соборе города Сарапула во время таинства венчания из рук свидетелей вырвались венцы. По одним сведениям они вознеслись по купол, по другим – они стали такими тяжелыми, что их не смогли удержать свидетели. Священник прервал таинство и назначил следствие, по результатам которого было установлено, что новобрачные – родные брат и сестра! Во младенчестве, после смерти родителей они были разделены и усыновлены в разные семьи.
Вознесенский собор был закрыт на основании постановления президиума Сарапульского окрисполкома от 20 июня 1930 г. Предметы внутреннего убранства растоптаны, иконы вышвырнуты на мостовую, могильные плиты вывернуты. Некоторые предметы были спасены сотрудниками Сарапульского музея, а чтимая в Сарапуле Казанская икона Пресвятой Богородицы Василием Ивановичем Тихановским была спрятана в Воскресенской церкви. Здание планировалось использовать для учреждения культуры, но позднее было снесено, а кирпич использовался в 1932 году для строительства здания Кооперативного техникума – сейчас городской суд.
Постановлением Правительства Удмуртской Республики от 17 сентября 2001 года № 966 Фундаменты Вознесенского собора — недвижимый объект историко-культурного наследия народа Удмуртской Республики отнесены к категории памятников истории и культуры местного (Удмуртской Республики) значения.  Николаем Леонидовичем Решетниковым на Красной (Соборной) площади города Сарапула неоднократно проводились археологические раскопки, в том числе, был раскрыт и фрагмент фундамента с сохранившейся лестницей.