Петропавловск – главный кафедральный город Петропавловско-Булаевской епархии и административный центр Северо-Казахстанской области – основан 1752 в году. Город носит имена апостолов Петра и Павла. Ежегодно в день праздника первоверховных учеников Христовых по его улицам проходит крестный ход – самый большой в Казахстане. Петропавловск – место трудов и мученической кончины епископа Мефодия (Красноперова).
После революции в городе было разрушено пять из семи существовавших православных храмов, осталась лишь одна действующая церковь на городском кладбище – в честь Всех Святых. Лишь в 1946 году облсовет исполкома Петропавловска передал здание полуразрушенного старинного Покровского храма общине верующих – здесь был устроен собор во имя апостолов Петра и Павла.
После обретения страной независимости встал вопрос о создании в городе с большим числом православных христиан еще одного храма. 20 мая 1999 года, в праздник Вознесения Господня, состоялась закладка новой церкви. Будущий собор строили всем миром: пожертвования поступали как от крупных предприятий, так и от рядовых граждан. Некоторые прихожане жертвовали свои дачные дома, которые разбирали на отдельные кирпичи и использовали их в возведении храма. Помощь в организации завершающего этапа работ оказали областные власти.
26 ноября 2005 года архиепископ Чимкентский и Акмолинский Елевферий (ныне – Чимкентский и Таразский) освятил храм. После начала богослужебной жизни работы по благоукрашению продолжились: был установлен резной деревянный иконостас, изготовленный местными мастерами; стены украшены росписью, сделано ограждение территории храмового комплекса; на самой территории были установлены фонари, разбиты цветочные клумбы, посажены ели и сосны.
В 2010 году, после образования самостоятельной Петропавловской и Булаевской епархии, Вознесенский собор получил статус кафедрального.