W latach 1850–1869 prowadzono budowę soboru według nowego planu architekta Iwana Walprede (Иван Вальпреде). Uroczyste rozpoczęcie prac nad realizacją drugiej wersji świątyni uświetnili cesarzewicz i jednocześnie ataman wszystkich wojsk kozackich Aleksander Mikołajewicz wraz z małżonką Marią, ataman nakaźny wojska dońskiego Michaił Chomutow oraz biskup doński i nowoczerkaski Jan (Dobrozrakow). Także podczas budowy nowego wariantu soboru doszło do podobnej jak poprzednio katastrofy – przy wznoszeniu głównej kopuły zawaliła się część cerkwi (1863).
Autorem trzeciej wersji świątyni został w 1891 Aleksandr Jaszczenko. Ostatecznie budowę zakończono w 1904. Oczekując zapowiadanego przybycia cara, otwarto jedynie cerkiew Opieki Matki Bożej (Pokrowską) w dolnej kondygnacji. Poświęcenia soboru pod wezwaniem Wniebowstąpienia Pańskiego odbyło się z udziałem biskupa dońskiego i nowoczerkaskiego Atanazego, biskupa aksajskiego Jana, atamana nakaźnego, duchowieństwa, generalicji i ogółu Kozaków dońskich. Choć na uroczystość wybrano dzień urodzin cara, Mikołaj II nie przybył mimo zapowiedzi składanych m.in. podczas wymarszu 4 Dywizji Kozaków Dońskich na wojnę rosyjsko-japońską.