Вознесенский собор является кафедральным храмом города Осташков. Каменный собор в шатровом стиле построен в 1692 году в центре Знаменского монастыря. Сам монастырь находился на этом месте с 1673 года. В 1928 году Знаменский монастырь закрыли. До наших дней от него сохранилась лишь стена вдоль Ленинского проспекта, а также красивый Вознесенский собор.
Вознесенский собор большевики не разрушили, так как сюда перенесли мощи преподобного Нила Столобенского из Богоявленского собора Нило-Столобенской Пустыни. В 1928 году храм все же закрыли, но мощи Преподобного Нила оставили в церкви, как экспозицию Краеведческого музея. Остальную часть храма занимал склад зерна. Другие постройки Знаменского монастыря были разрушены и на их месте построили деревянные жилые дома.
После Второй Мировой войны, в 1947 году, храм вернули верующим. В нем возобновились богослужения. Мощи преподобного Нила Столобенского находились в Вознесенском соборе Осташкова до 1995 года. В этом году в Нило-Столобенской Пустыни восстановили Богоявленский собор и мощи вернули на прежнее место. В Вознесенском соборе оставили частику мощей Святого Нила в серебряной раке.
