Изначальный скромный деревянный храм полностью видоизменился в результате поэтапных перестроек в 1944-1988 годах и стал просторным каменным зданием, расписанным внутри и прекрасно украшенным снаружи. У собора семь золоченых глав. Над входом с западной стороны вознесен крест. Просторная шатровая колокольня одноярусная, в плане квадратная с широкими проемами, в которых висят малые и средние колокола. Большой колокол — благовестный — определен в центре звонничной площадки. Три козырька, один над другим возносящиеся к колокольне, создают впечатление выступающего входа.

В соборной ограде расположено крестильное помещение с храмом в честь Богоявления Господня, где ежедневно совершается крещение. В комплекс собора входят часовня и административный корпус.

Строилась церковь в честь Вознесения Господня в Новониколаевске (ныне Новосибирск) с разрешения Томского епархиального начальства тщанием строительного комитета. 6 апреля 1913 года Новониколаевский благочинный протоиерей Николай Завадовский освятил новосооруженный храм, в народе поименованный Туруханским. Первоначально он был однопрестольным, деревянным, с колокольней в одной связке, крытым железом. Расположенный на северной окраине города, храм являлся одним из самых бедных в городе, со штатом из одного священника и одного псаломщика. Приход состоял из бедствующих чернорабочих и ремесленников, среди которых было немало инородцев, иноверцев и широко пропагандировалось сектантство. При приходе Вознесенской церкви числилось три начальных приходских училища Министерства народного просвещения.

В 1925 году был сооружен придел во имя святителя Николая Чудотворца. В 1938-1939 годах храм был закрыт. Городские власти использовали церковь как склад для хранения зерна.

В апреле 1944 года в Вознесенской церкви возобновилось богослужение. Храм не требовал настоятельного ремонта — иконостас, престолы и подсвечники были сбережены — и в Великую среду того года было совершено его малое освящение. На Пасху был переполнен не только храм, но и вся его обширная ограда. С того времени в храме служит новосибирский архиерей. На нужды армии и фронта в период с 1944 по 1945 год от Вознесенского храма поступило 1686 тысяч рублей. Много сил и средств употребил архиепископ Новосибирский и Барнаульский Варфоломей (Городцов) для реставрации и благоустройства храма. В конце марта 1946 года были подняты колокола. В том же году его заботами началось строительство нового придела, а 28 декабря 1947 года архиепископ Варфоломей торжественно совершил освящение нового придела в честь преподобного Серафима Саровского. В чин собора Вознесенская церковь произведена в 1947 году.

По благословению митрополита Нестора (Анисимова) над могилой владыки Варфоломея в соборе было устроено надгробие, а трудами архиепископа Павла (Голышева) сооружается каменный крестильный храм взамен обветшавшего деревянного.

К 1970-м годам деревянный собор пришел в ветхость. 12 февраля 1971 года рядом с собором был открыт цирк, в результате чего соборная территория утратила один из двух входов, а сам храм оказался в низине. Прибывший на Новосибирскую кафедру в 1971 году епископ Гедеон (Докукин) сразу же озаботился состоянием здания. В 1974 году была реконструирована западная часть здания, увеличен притвор, заменены колонны внутри собора. Новые кирпичные стены после возведения были скрыты под деревянной обшивкой, чтобы сохранить общий вид деревянного храма. В 1976 году стены всех трех алтарей были поочередно разобраны и заменены кирпичными, а к 1979 году был устроен нижний храм в честь святого благоверного князя Александра Невского и Гедеона Праотца. Далее по благословению митрополита Гедеона была проведена полная реконструкция Вознесенского кафедрального собора под руководством настоятеля храма протоиерея Димитрия Будько. Реконструкцию приурочили к празднованию 1000-летия Крещения Руси. Проект реконструкции храма выполнил новосибирский архитектор В.П. Авксентюк. К августу 1988 года строительные работы были полностью завершены. И хотя при реконструкции собора органы государственной власти не дали разрешения сделать его выше и просторнее, как хотелось церковному руководству и строителям, однако он стал украшением Новосибирска. Около 1986 года при храме открылась воскресная школа.

По проекту архитектора Б.А. Захарова при соборе были выстроены в 1996 году часовня в честь Всех святых, в земле Сибирской просиявших, и в 1998 году административный корпус. В 1999 году, к празднованию 75-летия Новосибирской епархии, был отреставрирован и заново вызолочен главный иконостас храма.

В Вознесенском кафедральном соборе есть архиерейский хор, детский (младшая группа и старшая) и Свято-Макарьевский молодежный хоры. В 1995 году при соборе образован Центр милосердия во имя святого великомученика и целителя Пантелеимона. Организована православная видеостудия. На третьем этаже нового административного корпуса расположилась приходская библиотека духовной литературы для всех жителей города, а также библиотека Новосибирского православного богословского института.

23 мая 2002 года в соборе совершил всенощное бдение Святейший Патриарх Алексий II. За богослужением состоялась канонизация новых сибирских священномучеников Николая (Ермолова) и Иннокентия (Кикина).

Святыни:

• икона свт. Николая Чудотворца с частицей мощей;
• икона вмч. Пантелеимона Целителя с частицей мощей;
• икона прп. Серафима Саровского с частицей мощей;
• икона прп. Амвросия Оптинского с частицей мощей, в алтаре Серафимовского придела;
• икона свт. Иннокентия, митрополита Московского и Коломенского, с частицей мощей, дар Патриарха Алексия II, в часовне;
• икона Божией Матери «Живоносный Источник» в нижнем храме;
• ковчег с частицами мощей многих святых в алтаре Серафимовского придела;
• икона Божией Матери «Умягчение злых сердец»;
• Черниговская икона Божией Матери;
• захоронение митрополита Новосибирского Варфоломея (Городцова) в Серафимовском приделе.