Der erste Himmelfahrts-Tempel in Odessa entstand 20 Jahre nach der Gründung der Stadt. Eine kleine altgläubige Kapelle wurde am 7. Juli 1814 geweiht. 1845 wurde der Plan für den Bau einer dreischiffigen Himmelfahrtskirche genehmigt, und 8 Jahre später, 1853, wurde hier zum ersten Mal eines der Hauptheiligtümer des Südens des zaristischen Russland, das wunderbare "Kasperowskaja"-Ikone der Gottesmutter, gebracht. 1854 schützte dieses Ikone die Stadt vor der anglo-französisch-türkischen Flotte, die in die Bucht von Odessa einlief.

Am 17. Juli 1855 legte der Heilige Innozenz den Grundstein für die neue dreischiffige Himmelfahrtskirche in der Preobraschenskaja-Straße. Die Hauptmittel für den Bau wurden von den odessitischen Kaufleuten Tscherepenikow bereitgestellt, und der Architekt war L. Otton.

Der Bau der Kirche dauerte 14 Jahre, und am 12. April 1869 weihte der Erzbischof von Cherson und Odessa Dimitri das Gebäude der Kathedrale.

Am 19. Januar 1875 weihte der Erzbischof von Cherson und Odessa Leontij den Hauptaltar der unteren einheitlichen Kirche im Namen des Heiligen und Wundertäters Nikolaus, des Schutzpatrons der Seeleute und Reisenden, und am 30. Januar den zweiten Altar im Namen der Drei Heiligen: Basilius des Großen, Gregor des Theologen und Johannes Chrysostomus. Später spendeten die Einwohner Moskaus Ikonen und liturgische Utensilien für die untere Kirche der Odessaer Himmelfahrtskirche.

In der unteren Kirche der Himmelfahrtskathedrale befinden sich die Reliquien des gerechten Jona, der, so berichten Zeitgenossen, viele verschiedene Erscheinungen der Heiligkeit zeigte. Vater Jona hatte die Gabe der Prophetie und der Heilung von seelischen und körperlichen Krankheiten. Das Kreuz, mit dem er das Wasser segnete, wird bis heute in der Kathedrale aufbewahrt und ist eines der am meisten verehrten Heiligtümer.

In der Himmelfahrtskathedrale von Odessa befindet sich auch das Ikone des Heiligen Innozenz mit einem Teil seiner Reliquien.

Mit dem Kommen der Bolschewiki hatte die Himmelfahrtskathedrale, wie auch andere Kirchen der Stadt, es nicht leicht. Die Kirche wurde Ende der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts geschlossen.

1942 nahmen die rumänischen Besatzer die Aktivitäten der unteren Kirche wieder auf, wozu sie mehrere Tage lang Wasser abpumpen mussten, da sie um 1,5 Meter überflutet war. Während des Großen Vaterländischen Krieges litt die obere Kirche mehr als die untere, da eine deutsche Bombe in die zentrale Kuppel einschlug. Dennoch wurde der 56 Meter hohe Glockenturm der Kirche zum Symbol des Kampfes der Odessiten gegen die faschistischen Besatzer. Eine der Geschichten erzählt, dass eines Nachts sowjetische Partisanen die rote Fahne auf den Glockenturm hissten, die den Rumänen erst am nächsten Abend gelang, abzunehmen. An dieses Ereignis erinnerte einst eine Gedenktafel an der Wand der Kirche.

Die Wiederherstellung der Kirche nach dem Krieg wurde dank der Bemühungen von Erzbischof Nikon, Metropolit Boris und Patriarch Alexius I. Simanski möglich.

2008 wurde auf Initiative und mit dem Segen des Metropoliten von Odessa und Ismail Agafangel eine umfassende Renovierung des Gebäudes durchgeführt, das Heizsystem verbessert und die Kirche mit neuen Wandmalereien geschmückt. Die Entwerfer der Malereien der oberen Kirche waren Wladimir Borisow und Rostislaw Antonow, und die Malereien selbst wurden von den Künstlern Vitalij und Daniil Chomnicki ausgeführt. Dank der Bemühungen von Vladyka Agafangel wurde die Sonntagsschule verbessert. 2010 wurde mit seinem Segen die Kuppel über dem Glockenturm vergoldet, und 2012 die Hauptkuppel.