Вознесенский собор является главным православным храмом в Ельце и кафедральным храмом Елецкой епархии. На его месте ранее стоял соборный храм, построенный в 1745 году, с приделами в честь Св. Николая Чудотворца и Св. Дмитрия Ростовского. К концу XVIII века этот храм уже не мог вместить всех прихожан и не отвечал нуждам растущего города. Идея строительства нового храма возникла у жителей Ельца в 1800 году, когда ктитор Федор Сафрониевич Попов, по просьбе прихожан, поднял вопрос о необходимости возведения «обширного и красивого Соборного храма». Начался сбор пожертвований, и в 1815 году был составлен первый архитектурный план. Первый проект собора появился в 1824 году. При купце Иване Герасимовиче Петрове, избранном ктитором в 1841 году, харьковский губернский архитектор Фёдор Иванович Данилов разработал проект в «византийском и частично итальянском стиле», но Святейший Синод его не одобрил. Следующий проект архитектора Орловской казенной палаты Брычкова отклонили прихожане и горожане. В мае 1842 года И. Г. Петров обратился к Константину Андреевичу Тону в Москве с просьбой создать проект и смету для собора. Проект и смета были согласованы со Святейшим Синодом, Строительным комитетом, Губернской строительной комиссией и Елецкой городской думой. Закладка храма состоялась 22 августа 1845 года. За строительством следил известный архитектор Иван Осипович Вальпреди. Строительство длилось 44 года, и в конце к контролю подключился Александр Степанович Каминский, который также спроектировал иконостас собора.

Колокольня, задуманная на 7 метров выше креста главного купола, осталась недостроенной. Не были завершены ажурные крыльца над северным и южным входами, а роспись стен, выполненная А.И. Корзухиным и К.В. Лебедевым, не была полностью закончена.

Освящение собора состоялось 22 августа 1889 года, его провел епископ Орловский и Севский Мисаил.

В 1934 году Вознесенский собор был закрыт. Иконы сжигали прямо в храме, а золото с окладов и деталей иконостаса смывали в гальванической мастерской, где "каждая капля драгоценного металла должна была быть учтена". В разграбленном соборе устроили зернохранилище, и грузовики заезжали прямо внутрь. Собор вновь открыли в 1947 году. С 1954 по 1958 год его настоятелем был иеромонах Сергий (Петров), а с 1958 по 1981 год, архимандрит Исаакий (Виноградов).