В 1571 году Касимов описывается в писцовых книгах Петра Воейкова как деревянный город, в котором упоминается деревянная соборная церковь Вознесения Христова с приделом в честь Усекновения честной главы Иоанна Предтечи.
Однако, упоминаемая в писцовых книгах церковь, 3 июня 1679 года сгорела, как видно из челобитной соборного священника к преосвященному Иосифу, митрополиту Рязанскому. Соборные иконы уцелели и были перенесены в Пушкарскую Николаевскую церковь.
Точных указаний на то, когда же был возведен новый храм, в документах не имеется, но историки относят строительство нового собора к XVII столетию. Но в начале XVII в. и этот храм сгорел.
Построение каменной пятиглавой соборной Вознесенской церкви с приделом в честь Ионна Предтечи недалеко от деревянной, было начато по благословению преосвященного Алексия Титова. Строительство шло на средства и старанием Касимовского воеводы Василия Михайловича Ховрина и началось 27 марта 1748 года. 13 июня 1754 года собор был освящен по храмосвятной грамоте, данной митрополитом Димитрием Сеченовым.
В 1779 году была построена каменная колокольня вместо деревянной на шести столбах. Средства на нее дал Василий Андреевич Губарев.
В 1876-1878 годах в храме произошли ремонтные работы. Был построен новый расширенный алтарь, устроен новый иконостас и расписаны стены храма. 8 августа 1787 года состоялось освящение храма архимандритом Солотчинского монастыря Иоанникием и соборным протоиереем Федором Ипатьевым.
К 1790 году в храме, усердием В.А.Губарева, вместо одного было устроено два придела. На правой стороне во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи и святителя Василия Великого, а на левой – во имя святителя Димитрия Ростовского чудотворца и святой Екатерины Великомученицы. Храм был освящен в 1790 году, на антиминсах, выданных из Успенского кафедрального собора.
В 1837 году этот храм посетил наследник престола цесаревич Александр Николаевич, который проезжал по Рязанской губернии. Именно с Касимовского уезда и города Касимова начал свое обозрение нашей губернии будущий российский император. У собора после молебна он сделал смотр нижним чинам, и был доволен встречей с жителями города.
В XIX веке вместо обветшавшего храма был построен новый, ныне существующий собор с приделами Покровским и Предтеченским. Начало его строительству было положено 25 июня 1854 года, а окончен и освящен он был полностью в 1867 году.
Все, кто видел Вознесенский соборный храм, единогласно утверждают, что это один из прекраснейших соборов в Рязанской епархии. План собора был снят с плана собора в Гатчине, о чем было написано в Рязанских епархиальных ведомостях за 1897 г.
Стены этого уникального собора расписывал Сергей Иванович Грибков, живописец и иконописец, получивший 1852 году от Академии художеств, звание неклассного художника исторической живописи. Сейчас эта роспись находится под современным и многочисленным слоем штукатурки.
Из древних и ценных реликвий, которые находились в соборе и почитались прихожанами, были: Евангелие печати 1677 года, подаренное царевичем Алексеем Михайловичем с собственноручной надписью, а также ружная грамота царя Алексея Михайловича 1672 года на выдачу годового жалованья соборному причту и икона Иоанна Предтечи, присланная Иоанном Грозным (или Алексеем Михайловичем – по мнению других историков прошлого) для молитвы о сыне.
В 20-х годах ХХ столетия храм был закрыт; перед этим некоторое время находился в распоряжении обновленцев.
В 1936 году по ходатайству филиала рязанского Аэроклуба горисполком решил устроить парашютную вышку на бывшей колокольне собора. В 1960 году соборная колокольня была разобрана.
Вознесенский собор возвращён Церкви в 1998 году. В 2001 году с помощью благотворителей началось восстановление Вознесенского собора.
Торжественное освящение его состоялось 1 июля 2002 года. Его возглавил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II.
