Церковь расположена на месте, где с XIII века стояли деревянные храмы, которые неоднократно горели и восстанавливались. Изначально здесь были две деревянные церкви: холодная Вознесения Господа Бога и Спаса нашего Иисуса Христа и теплая Богоявления Господа Бога и Спаса нашего Иисуса Христа. Нынешний храм был построен в 1648 году на средства великоустюжского купца Никифора Ревякина. Согласно писцовой книге 1676-1683 годов, в конце XVII века Вознесенский храм имел одиннадцать глав, из которых до наших дней сохранилось только семь. Храм представляет собой сложную многообъемную композицию, возникшую, вероятно, в результате нескольких строительных периодов. Известно, что в 1742 году была перестроена алтарная апсида. Основной пятиглавый бесстолпный храм квадратной формы перекрыт сомкнутым сводом с декоративными кокошниками и центральным световым барабаном. С трех сторон его окружают двухэтажные приделы, а с западной стороны примыкает наружная каменная лестница с рундуками. С северной стороны находится двухэтажная пристройка, которая огибает основной объем и с запада, где возвышается колокольня, составляющая с храмом единое целое. Башенная часть колокольни, судя по композиции и деталям, появилась в результате одной из перестроек XVIII века. С южной стороны к главному храму примыкает изящная пристройка, увенчанная главкой на двойном высоком барабане. В наружном украшении храма впервые в Устюге использованы различные изразцы.

Пожар 1715 года уничтожил в церкви древнюю утварь и иконостас с иконами. Существующий резной позолоченный пятиярусный иконостас относится к 1744 году, а иконы являются произведениями живописи середины XVIII века. Когда-то здесь за престолом стоял старинный деревянный крест с резным Распятием. В иконостасе часовни находился древний образ Божией Матери Всех Скорбящих с жемчужной ризой. Над дверями и в простенках было размещено много древних образов. Небольшой четырехъярусный иконостас украшает и теплую Воскресенскую церковь. Его особенностью являются створки царских врат, разделенные на несколько филенок с кружевом из просечного железа. Иконы в иконостасе также относятся к XVIII веку, часть из них написана местным иконописцем Степаном Соколовым в 1719 году, вскоре после пожара, а икона «Всех скорбящих» в 1753 году. Богоматерь Одигитрия Смоленская, написанная Степаном Соколовым в 1718 году, происходит из местного ряда иконостаса Воскресенского придела церкви Вознесения. Успение Богородицы, написанное Василием Колмогоровым в 1744 году, также происходит из местного ряда иконостаса Воскресенского придела церкви Вознесения.

14 февраля 1930 года Вознесенская церковь была закрыта, а имущество разделено между Госфондом, музеем и общиной верующих. Здание храма передали музею, но из-за отсутствия охраны оно подвергалось вандализму. Были выбиты стекла, появились трещины в стенах. В 1933 году в здании дважды случался пожар, пострадали входные двери, покрытия барабанов и колокольни. Внутри здания иконы были вынуты из иконостасов и разбросаны, с некоторых сняты медные ризы, уничтожена часть резьбы. В алтаре была разбросана церковная библиотека, повреждено паникадило, пострадал иконостас верхнего храма. Прекрасная цветная изразцовая печь XVIII века была разрушена. В июне 1934 года Н.Г. Бекряшев потребовал от горсовета провести ремонт здания и организовать его постоянную охрану. В мае 1937 года он вновь поднял вопрос об охране и ремонте церкви. Благодаря усилиям Н.Г. Бекряшева удалось остановить разрушение Вознесенского храма и начать его ремонт.