Касимовский Вознесенский собор упоминается ещё в писцовых книгах 1571 года. Изначально храм был деревянным, в 1679 году сгорел. Спустя почти 70 лет на средства Касимовского воеводы Василия Михайловича Ховрина началось строительство каменного храма. В 1754 году собор освятили по храмосвятной грамоте, данной митрополитом Димитрием Сеченовым.  В XIX веке вместо обветшавшего храма был построен новый, ныне существующий собор с приделами Покровским и Предтеченским (освящён в 1867 году, автором проекта выступил рязанский губернский архитектор Н.И. Воронихин).

В советский период храм был закрыт. В середине 30-х годов прошлого века колокольня собора использовалась как парашютная вышка, а со временем и вовсе была разобрана. Долгое время в соборе располагалась детская спортивная школа, но в 1998 году храм вернули Церкви. На средства благотворителей Вознесенский собор был восстановлен. 1 июля 2002 года  состоялось торжественное освящение Вознесенского собора, которое возглавил святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II. В 2017 году храм посетил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл.