В 1876 году на имя Иркутского епископа Вениамина поступило пожертвование в размере 15 тысяч рублей от анонимного благотворителя на строительство каменной церкви в честь Успения Божией Матери. Условием жертвователя было начало строительства при накоплении суммы не менее 40 тысяч рублей. Сбор средств был поручен купцу первой гильдии Андрею Фёдоровичу Плюснину. Летом 1880 года был заложен фундамент храма, однако после смерти Плюснина в июне того же года работы приостановились. Его брат, Василий Фёдорович Плюснин, возобновил строительство в 1884 году. Проект храма разработал инженер С. О. Бер, а строительством руководил инженер-полковник В. Г. Мооро. Закладка храма состоялась 23 мая 1884 года. К декабрю 1886 года основные работы были завершены, и 24 декабря того же года в храме прошла первая Рождественская служба. Полное освящение собора состоялось 16 декабря 1890 года епископом Камчатским Гурием.
В 1891 году, в честь посещения края цесаревичем Николаем, будущим императором Николаем II, был пристроен придел во имя святителя Николая Чудотворца. В 1895 году при соборе открылась церковно-приходская школа, финансируемая за счёт продажи свечей и частных пожертвований. В январе 1897 года Василий Плюснин пожертвовал храму список Албазинской иконы Божией Матери. В 1902 году началось строительство каменной колокольни, завершённое к 1905 году, после чего собор приобрёл окончательный вид с двумя боковыми приделами и расширенным приделом святителя Николая.
В ноябре 1929 года было предложено разобрать собор и использовать кирпич для строительства Дома печати. 2 февраля 1930 года аренда с группой верующих была расторгнута, и собор закрыли. В феврале того же года были сняты колокола, а в апреле — кресты. 10 августа 1930 года здание собора было разобрано. В июне 1936 года экскаватором разровняли холм, на котором стоял храм.
В 1999 году началось строительство нового собора на месте прежнего. Проект разработало ГУП «Хабаровскгражданпроект». В 2000 году состоялась закладка здания, а в 2001 году завершилось строительство; внутренние работы продолжались до октября 2002 года. Новый собор расположен почти на том же месте, что и старый.
Современный собор представляет собой пятиглавый храм, построенный в русском стиле с элементами эклектики. Формы арок и куполов повторяют облик утраченного собора. В соборе хранится чтимая икона Божией Матери Албазинской «Слово плоть бысть», пожертвованная купцом Василием Плюсниным в 1897 году.
