Храм построен в 1752 году, восстановлен в 1991 году. Имеет три придела: центральный в честь Вознесения Христова и боковые: правый в честь пророка Божия Илии и левый в честь святых благоверных князей-страстотерпцев Бориса и Глеба.

Собор Вознесения Христова – главный храм Вознесенского женского монастыря, существовавшего в городе Великие Луки до революции 1917 года. Когда-то на его месте располагался Ильинский мужской монастырь, сожженный и разграбленный поляками в Смутное время (1610 г.) В 1675 году митрополит Новгородский и Великолукский Корнилий приказал выстроить на месте пришедшего в запустение Ильинского монастыря, Вознесенский женский монастырь. Первоначально монастырские постройки были деревянными, во время пожара 1719 года они сгорели, а в 1724 году началось строительство каменных зданий. К 1752 году была построена каменная Вознесенская церковь. Тогда же монастырь был обнесен каменной оградой, были построены дом настоятельницы, сестринские кельи, кухня, прачечная и др. постройки. В 1826 году к Вознесенской церкви были пристроены два теплых придела: святого пророка Илии и святых благоверных князей страстотерпцев Бориса и Глеба Вознесенский монастырь был ограничен улицами: Троицкой (ныне ул. К. Либкнехта), Ильинской (ныне ул. Пионерская), Борисоглебской (ныне ул. Урицкого) и Вознесенской (ныне ул. Некрасова). В 1918 году Вознесенский монастырь закрыли, а в мае 1925 года Вознесенская церковь была окончательно закрыта и стала использоваться под склад различными торговыми организациями. Во время Великой Отечественной войны храм хотя и пострадал, но сохранился. В конце 1980-х годов, по инициативе церковной общины и общественности города, храм решено было восстановить, что и было осуществлено в 1990-х годах.

В1993 году были установлены купола с позолоченными крестами на храм и колокольню, в том же году были приобретены колокола для колокольни. Затем храм неоднократно подвергался наружной реставрации: оштукатуриванию и покраске (был голубого, желтого, в настоящее время белого цвета). Внутри храм также периодически штукатурился и белился. Перед храмом вымощена тротуарной плиткой площадь и устроены клумбы с цветами.