Собор был освящен в честь Покрова Пресвятой Богородицы и существовал в селе Вознесенском с начала XVIII века. После обветшания и двух пожаров на месте бывшей деревянной церкви в 1788‒1791 годах на средства прихожан была выстроена каменная церковь по проекту Вятского губернского архитектора Рослякова. В Покровском соборе были освящены три престола: главный – в честь Покрова Пресвятой Богородицы, правый – в честь Святого Николая Чудотворца, левый – в честь Святых мучеников Флора и Лавра. В годы Гражданской войны собор сильно пострадал от обстрелов с левого берега Камы и был закрыт в 1932 году по распоряжению Удмуртского облисполкома, а здание переоборудовано в хлебопекарню. В середине 90-х годов прошлого века оно было передано Русской Православной Церкви, но оказалось заброшенным и разрушалось. В 2012 году храм был восстановлен.

В марте 2014 года, после того, как Святейший Синод Русской Православной Церкви восстановил епархиальный статус Сарапула, епископ Сарапульский и Можгинский Викторин (сейчас Высокопреосвященнейщий митрополит Ижевский и Удмуртский) разместил свою кафедру в церкви Покрова Пресвятой Богородицы, и храм получил статус Кафедрального собора.

В Покровском кафедральном соборе постоянно находятся:

• частица мощей Святителя Луки, архиепископа Симферопольского и Крымского;
  
• частица мощей Святого преподобного Сергия, игумена Радонежского, чудотворца;
  
• частицы мощей Святого благоверного князя Петра, в иночестве Давида, и святой благоверной княгини Февронии, в иночестве Евфросинии, Муромских чудотворцев;
  
• икона Святителя Амвросия, епископа Сарапульского.