В 1804 году столица казачьего Донского войска была перенесена из Черкасска в Новочеркасск. В 1805 году на праздник Вознесения Господня был заложен новый собор войска Донского. Проект предусматривал строительство одного из самых высоких в те годы храмов России.
К работам по возведению собора приступили в 1811 году, однако, строительство растянулось почти на столетие. В 1818 году, начавшие строительство итальянские архитекторы братья Руски покинули Россию, и достраивал собор уже русский архитектор Амвросимов, однако, в 1846 году возведенный уже под купол собор обрушился.
После этого строительство было поручено архитектору Вальпреде. Однако из-за спешки в строительстве не соблюдались технологии кладки, и второй собор также обрушился в 1863 году. В итоге, третий вариант собора было решено строить в 1891 году, а завершено строительство было к 6 мая 1905 года. Новочеркасский собор был одним из первых сооружений в России, где для упрочения фундамента были использованы железобетонные конструкции.
Вознесенский собор является одним из самых больших храмов в России. В 2011 году была проведена его масштабная реставрация, в результате которой купола собора были вновь покрыты золотом, а в крест был возвращен камень из горного хрусталя.
В 2014 году указом Патриарха Кирилла собору в Новочеркасске был присвоен статус Патриаршего Вознесенского войскового всеказачьего собора. Таким образом, он стал вторым Патриаршим собором в России после Успенского собора Московского кремля.