Свято-Вознесенский собор в Великих Луках был выстроен на месте старого Ильинского мужского монастыря, который был уничтожен польским нашествием на рубеже 16—17 веков. В 1675 г. по просьбе монахинь Введенского монастыря Новгородский митрополит разрешил строительство нового, Вознесенского, монастыря на месте уничтоженного. Церковь, возведённая на месте сожжённого монастыря в 1752 г., была кирпичной и представляла собой характерную для того времени барочную постройку. В церкви было три престола, из которых главный был посвящён Вознесению, а два других, выстроенных почти 70 лет спустя, — Илье-Пророку и св. князьям Борису и Глебу. Колокольня была объединена с основной постройкой, и на ней разместили девять колоколов.
Впоследствии к храму стали относить ещё две церкви Великих Лук: Казанскую кладбищенскую и церковь Двенадцати апостолов, а также три часовни.
Современный облик храма скромен и сдержан, но и церковь, и прилегающая к ней территория очень оживляют городской ландшафт.
После революции монастырь был закрыт, а спустя несколько лет закрыли и Вознесенскую церковь. Все церковные ценности и реликвии были расхищены. В советские времена в помещении располагались склады, а колокольню разобрали. В военные годы церковь почти не пострадала, но после окончания войны с целью сделать её внешний облик менее религиозным конструкцию изрядно подправили, попросту частично разобрав.
В 1990 г. Вознесенский собор был освящён заново, а в 1992 г. здесь прошла первая служба. Современный облик храма скромен и сдержан, но и церковь, и прилегающая к ней территория очень оживляют городской ландшафт. Площадь, на которой стоит собор, благоустроена, на ней разбиты клумбы, высажены деревья, и именно здесь начинается ежегодное празднование Дня города.