Деревянная Вознесенская церковь стояла на перекрестке нынешних улиц Водников и Комсомольской. Ее можно увидеть на гравюре Кэстля, датируемой первой половиной XVIII века. В апреле 1765 года церковь сгорела, но вскоре была восстановлена. 40 лет спустя она сгорела вновь.

План Самары 1804 года определил для Вознесенского храма новое место в будущем центре города, но при условии, что он будет каменным.

В 1838 году в Симбирске составили проект каменного Вознесенского храма. В Петербурге его доработали и новый утвержденный проект отправили в Самару.

Закладка храма состоялась в 1841 году, а возведение продолжалось около восьми лет. В 1847 году был освящен правый придел во имя архистратига Михаила (после возвращения храма верующим правый придел освящен в 1993 году во имя святителя Алексия, Московского и всея Руси чудотворца). В 1848 году освящен главный престол Вознесенский. Левый придел освящен во имя великомученика Пантелеимона и преподобного Павла Комельского. В последующие годы собор неоднократно перестраивался.

К моменту образования Самарской губернии Спасо-Вознесенский храм считался лучшим в городе. В 1851 году он получил статус кафедрального собора. 31 марта 1851 году здесь состоялись торжества по случаю открытия Самарской епархии. В этот день, день Вербного воскресенья, из Казанско-Богородицкого собора прошел крестный ход к Спасо-Вознесенскому собору. Под сводами храма был зачитан Указ Святого Синода об образовании Самарской епархии и совершен благодарственный молебен.

В 1877 году в соборе было освящено вышитое в Иверском женском монастыре легендарное Самарское знамя, ставшее символом борьбы болгарского народа за освобождение от турецкого ига.

В октябре 1897 году при Спасо-Вознесенском соборе была открыта одноклассная женская церковноприходская школа. Она помещалась в верхнем этаже каменной церковной сторожки.

22 мая 1911 году главный престол после реконструкции освятили заново. Спасо-Вознесенский собор, будучи более 40 лет главной святыней города, повидал всех именитых гостей Самары. Его посещали и коронованные особы, и политические деятели, и многочисленные паломники. Спасо-Вознесенский собор имел три приписные церкви: во имя свв. Иоакима и Анны при четырехклассном городском училище; во имя Введения во храм Богородицы при Самарском епархиальном женском училище; во имя Николая Чудотворца при Николаевском приюте детей-сирот.

В 1930 году храм закрыли и в нем разместился клуб кустарей. Колокольня и купол были разрушены. С 1941 года здание храма использовалось под склад хозяйственной части Приволжского военного округа.

10 мая 1993 года после молебна, совершенного в храме владыкой, началась его реставрация. Проект реконструкции разработали архитекторы В. А. Самогоров и В. Л. Пастушенко. 1 октября 1997 года на храм водрузили главный купол, а летом 1999 году восстановили 56-метровую колокольню. К настоящему времени внутренний и внешний (купол и колокольня) вид восстановлен в первозданном облике. 18 октября 1999 году общине было передано 2-х этажное здание, построенное во дворе собора. Оно было капитально отремонтировано, и с 2000 года в нем помещается богадельня, воскресная школа, и церковная библиотека с читальным залом.