Кирпичная оштукатуренная церковь с белокаменным цоколем - один из наиболее значительных памятников тверской архитектуры в стиле ампир, сохраняющий фрагменты более раннего сооружения. При характерных для этого стиля чертах здание отличается рядом индивидуальных особенностей, обусловленных его строительной историей и градостроительной ситуацией. Первая каменная Вознесенская церковь с Богоявленским (южным) приделом построена на месте деревянного храма в 1749-1761 гг. Пострадавший во время пожара в 1763 г. храм был полностью восстановлен в 1768 г. В 1805 г. с запада по оси четверика к храму была пристроена новая колокольня. В 1818 г. было задумано, разобрав старую церковь, построить новую по проекту архитектора Н.Легранда.

Однако существующий храм был сооружен на средства купцов И.Ф.Татаринцева и Ф.Н.Боброва в 1826-1836 гг. по проекту архитектора И.Ф.Львова. Он стал первой крупной работой этого зодчего. Колокольня по проекту Львова с колонной ротондой в завершении осуществлена не была. Осталась старая Колоокольня. В 1902-1903 гг. Она была надстроена третьим ярусом по проекту архитектора В.И.Назарина. Закрытая в 1930-х гг. церковь в 1993 г. была возвращена Тверской епархии и стала городским собором. Сейчас в Соборе освящен престол в честь Вознесения Христова, покоятся мощи священномученика архиепископа Тверского и Кашинского Фаддея (Успенского).