В 1621 г. рубленый собор Печерского монастыря с Покровским приделом и трапезной был шатровым. В 1629 г. архимандрит Рафаил просил патриаршего благословения "воздвигнути каменную церковь во иля Вознесения" с двумя приделами. Он сообщал об уже запасенных строительных материалах. В 1630 г. просьба была повторена, но разрешения приступать к работам не было дано из-за многочисленности уже начатых государственных строительств. В 1631 г. Рафаил просил прислать для возведения храма Антипу Константинова, завершившего строительство Михайло-Архангельского собора в Нижегородском кремле. Но ему было вновь отказано. В обход запретов в 1631 г. строительство в Печерах все же было начато каменщиками Ипатьевкого костромского монастыря во главе с Федором Опариным. Но в 1632 г. и их забрали на работу в Москву. Власти Печерского монастыря стали создавать свою строительную артель, которую возглавили Ефрем Босой и старец Изосима. Строительство и отделка собора продолжались до 1640 г.
Уже в ходе работ храмозданная грамота неоднократно переписывалась. К собору пристроили трапезную, а для церкви внутри здания выгородили кирпичными стенами юго-западный сектор (Покровский придел).
После возведения особой трапезной палаты с Успенской церковью (1648 г.) в планировке и организации внутреннего пространства Вознесенского собора произошли существенные изменения. Стены и своды Покровского придела разобрали, трапезную превратили в притвор, в центре его западной стены пробили парадный вход с порталом. Между колокольней и северной стеной собора была устроена крытая паперть, с южной стороны пристроен кирпичный всход. Однако в ходе реставрации в 70-х гг. 20 в. часть возведенных в середине 17 в. строений и прежде всего редкий по формам южный всход-крыльцо были снесены.
Интерьеры собора были расписаны фресками, иконы, в том числе местная святыня Богоматерь Печерская 14 в., были богато украшены жемчугом, золотыми и серебряными окладами. Иконостас и херувимов для него резал нижегордский мастер 17 в. Милетий Иванов.
Собор четырестолпный на высоком подцерковье, пятиглавый, но с барабанами разного диаметра (западная пара изначально освещала приделы на хорах, потому выполнена большей по размерам). Трапезная имела в стенах голосники. Позакомарная кровля была тесовой, но в 1759 - 1766 гг. заменена на железную, а в 1783 г. перекрыта на 4 ската. В настоящее время зданию возвращен изначальный вид.