Деревянная Вознесенская церковь стояла на перекрестке нынешних улиц Водников и Комсомольской. В апреле 1765 года церковь сгорела, но вскоре была восстановлена. 40 лет спустя она сгорела вновь.

Закладка храма на новом месте состоялась в 1841 году, возведение продолжалось около восьми лет. В 1847 году освящен правый придельный престол 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 придельный престол освящен во имя великомученика Пантелеимона и преподобного Павла Комельского. В последующие годы собор неоднократно перестраивался.

В 1851 году храм получил статус кафедрального собора. 31 марта 1851 году 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 зачитан Указ Святого Синода об образовании Самарской епархии, совершен благодарственный молебен. В 1877 году в соборе освящено вышитое в Иверском женском монастыре Самарское знамя, ставшее символом борьбы болгарского народа за освобождение от турецкого ига. В октябре 1897 году при Спасо-Вознесенском соборе открыта одноклассная женская церковно-приходская школа. Она помещалась в верхнем этаже каменной церковной сторожки. 22 мая 1911 году главный престол после реконструкции освятили заново. Спасо-Вознесенский собор имел три приписные церкви: во имя святых 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. В здании церкви находился клуб кустарей. Колокольня и купол 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. 1 октября 1997 года на храм водрузили главный купол, летом 1999 году восстановили 56-метровую колокольню. 18 октября 1999 году общине передано 2-х этажное здание, построенное во дворе собора, с 2000 года в нем помещается богадельня, воскресная школа, и церковная библиотека с читальным залом.

Крестильная церковь Покрова Пресвятой Богородицы перестроена из часовни, освящена 14 октября 2015 года.