Церковь была освящена в честь Покрова Пресвятой Богородицы и существовала в селе Вознесенском на Сарапуле 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 Ф.М. Рослякова.
В Покровской церкви были освящены 3 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 церковь сильно пострадала от обстрелов с левого берега Камы.
В 1932 году Церковь была закрыта 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 города Сарапула, 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.
