Деревянный храм на этом месте впервые упоминается в 1619 г., в 1685-89 гг. он был заменен каменным, поставленным на средства царицы Натальи Кирилловны Нарышкиной, матери будущего императора Петра I.

Ныне существующий храм был задуман как полковой собор Преображенского полка, шефом которого был светлейший князь Г.А.Потемкин — Таврический. Оказалось, что фундамент старой церкви Вознесения недостаточно крепок для возведения задуманного большого храма. Тогда Г.А. Потемкин решил построить новый храм и отдал для него свой двор, находившийся рядом с церковью. Смерть помешала князю выполнить задуманное.

По его завещанию в 1798 г. душеприказчики начали строительные работы.

Основной объем строился на том же месте, где он расположен в настоящее время. За ним была трапезная. По оси должна была стоять колокольня, соединееная с трапезной двухярусной галереей (галерея приходилась на место современного Вознесенского проезда).

В 1990 г. отреставрированный храм возвратили верующим. 23 сентября 1990 г. был совершен первый за годы советской власти Крестный ход из Успенского собора Кремля к храму "Большое Вознесение" во главе со Святейшим патриархом Алексием.

При храме действует воскресная школа для детей.

Во время ремонта храма в 2001-2002 гг, был обнаружен фундамент разрушенной колокольни и принято решение о ее воссоздании. Архитектор проекта — А.Журин. Строительство закончено в 2004 году, колокольня освящена Патриархом Московским и всея Руси Алексием Вторым 20 мая 2004 года.