В 1571 году Касимов упоминается в писцовых книгах Петра Воейкова как деревянный город с соборной церковью Вознесения Христова и приделом в честь Усекновения главы Иоанна Предтечи. Однако 3 июня 1679 года эта церковь сгорела, что подтверждается челобитной соборного священника к митрополиту Иосифу Рязанскому. Уцелевшие соборные иконы были перенесены в Пушкарскую Николаевскую церковь. Хотя точные даты строительства нового храма не известны, историки относят его к XVII веку. В начале того же века и этот храм сгорел. Каменная пятиглавая соборная Вознесенская церковь с приделом Иоанна Предтечи была заложена по благословению преосвященного Алексия Титова. Строительство началось 27 марта 1748 года на средства воеводы Василия Михайловича Ховрина и завершилось освящением 13 июня 1754 года митрополитом Димитрием Сеченовым.

В 1779 году вместо деревянной колокольни была построена каменная на шести столбах, финансированная Василием Андреевичем Губаревым. В 1876-1878 годах храм был отремонтирован: расширен алтарь, установлен новый иконостас и расписаны стены. 8 августа 1787 года храм освятил архимандрит Солотчинского монастыря Иоанникий вместе с соборным протоиереем Федором Ипатьевым. К 1790 году, благодаря усилиям В.А. Губарева, в храме было устроено два придела: справа, во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи и святителя Василия Великого, слева, в честь святителя Димитрия Ростовского и святой Екатерины. Храм был освящён в 1790 году с антиминсами из Успенского кафедрального собора. В 1837 году его посетил наследник престола Александр Николаевич. В XIX веке был построен новый собор с приделами Покровским и Предтеченским, строительство которого началось 25 июня 1854 года и завершилось в 1867 году. План собора был взят с собора в Гатчине, как сообщалось в Рязанских епархиальных ведомостях 1897 года.

В 1920-х годах собор был закрыт, некоторое время находился в распоряжении обновленцев. В 1936 году по инициативе рязанского Аэроклуба на бывшей колокольне была устроена парашютная вышка. В 1960 году колокольня была разобрана. Вознесенский собор был возвращён Церкви в 1998 году, а в 2001 году началось его восстановление при поддержке благотворителей.

Торжественное освящение собора состоялось 1 июля 2002 года под руководством Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II в сослужении пяти иерархов: Рязанского и Касимовского Симона, Нижегородского и Тамбовского Евгения, Шацкого Иосифа, Дмитровского Александра и Сергиево-Посадского Феогноста. Среди священнослужителей был архимандрит, ныне Нижегородский архиепископ Георгий.

Боковые приделы собора: правый, Покрова, левый, Усекновения главы святого Иоанна Предтечи. В настоящее время освящён только правый придел. С 2006 года в праздник Вознесения Христова в Воскресенском соборе проходят Крестные ходы на молебен.