Храм был заложен в праздник Вознесения Господня 20 мая 1999 года. Будущий собор строили всем миром: пожертвования поступали как от крупных предприятий, так и от рядовых граждан. Некоторые прихожане жертвовали свои дачные домики, которые разбирали на отдельные кирпичи и использовали их в возведении стен.
Большая часть стен храма была возведена благодаря акции «Именной кирпичик» — горожанам было предложено пожертвовать на строительство кирпич, на котором написано имя жертвователя или кого-либо из его родственников. Большую помощь в организации завершающего этапа работ оказали областные власти.
27 ноября 2005 года состоялось освящение храма архиепископом Чимкентским и Акмолинским Елевферием.
После освящения, работы по благоукрашению храма продолжились: был установлен резной деревянный иконостас (изготовленный местными мастерами), стены храма украшены росписью, изготовлено и установлено ограждение территории храмового комплекса, на самой территории были установлены фонари, разбиты цветочные клумбы, посажены ели и сосны.
В 2010 году, после выделения Северо-Казахстанской области из Чимкентской и Акмолинской епархии и образования самостоятельной Петропавловской и Булаевской епархии, Вознесенский собор стал кафедральным.