Печёрский монастырь, после переноса на новое место, изначально был построен из дерева, включая соборный храм Вознесенский. В 1629 году архимандрит Рафаил, настоятель монастыря, обратился с просьбой к Патриарху разрешить строительство каменной церкви во имя Вознесения, указав, что материалы для строительства уже заготовлены. Он повторил просьбу в 1630 году, но разрешение так и не было получено.

На следующий год архимандрит решил действовать самостоятельно и пригласил каменщиков из костромского Ипатьевского монастыря под руководством Фёдора Опарина, не уведомив Москву. Они начали строительство подклета собора, но в 1632 году власти узнали об этом, и каменщиков отправили на государственные работы. Тогда монастырь создал собственную строительную артель во главе с каменщиком Ефремом Босым, которая к 1640 году завершила строительство пятиглавого Вознесенского собора с приделом в честь Покрова Пресвятой Богородицы. Храм был построен по чертежам архитектора Антипа Константинова.

По проектам этого нижегородского зодчего были также возведены другие здания монастыря, такие как шатровая колокольня, Успенская церковь с трапезной палатой, надвратная церковь преподобного Евфимия Суздальского, настоятельские покои и корпуса келий. Антип Константинов также участвовал в строительстве Архангельского собора в Нижегородском кремле и Теремного дворца, а также в реставрации Успенского собора в Московском Кремле.

На Вознесенском храме установлена чугунная памятная плита, отлитая в 1858 году, которая сообщает, что строительство началось в октябре 1631 года при царе Михаиле Фёдоровиче. К собору была пристроена трапезная, которая позже стала притвором. Между северной стеной собора и колокольней сделали крытую паперть, а с южной стороны пристроили кирпичное крыльцо, которое было снесено в 1970-е годы в ходе реставрации.

Архитектурный стиль Вознесенского собора восходит к Успенскому собору Московского Кремля. Собор четырёхстолпный, пятиглавый, стоит на высоком подклете, который в советское время использовали как овощехранилище, а верхний храм, как столярный цех. Малые главы собора различаются по размерам, две из них освещали приделы на хорах и были сложены более массивными. Трапезная часть собора, преобразованная в притвор, имела западный вход и парадное крыльцо с глиняными голосниками в стенах. До середины XVIII века кровля собора была тёсовой, в 1759-1766 годах её покрыли железом, а в 1783 году сделали четырёхскатной. Сейчас позакомарное покрытие восстановлено.

В 1924 году монастырь был закрыт решением НКВД, вскоре закрыли и Свято-Вознесенский собор. В 1971 году мастера частично восстановили старинный облик собора. В 2000-е годы реставрацией храма занимались современные мастера, такие как Владимир Иванович Некрасов и Дмитрий Николаевич Мищенко. В 2004 году трапезную расписывал иконописец Олег Романович Шуркус. Освящение главного храма Печёрского монастыря состоялось в 2000 году в праздник Вознесения Господня.