Первоначально на месте современного собора в XV веке, во времена правления великого князя Василия I, была возведена деревянная церковь, что делает Успенский собор одной из древнейших церквей Ивановской области по времени основания.
В 1695 году деревянный храм был уничтожен пожаром. В 1699 году на его месте был построен каменный собор, ставший первым каменным сооружением в Плёсе. Архитектурно здание выполнено в стиле «восьмерик на четверике» и увенчано одной главой. К собору примыкает шатровая колокольня высотой 25 метров, украшенная слуховыми оконцами различной формы.
Собор был возведен на территории бывшей Плёсской крепости, основанной в 1400 году по указу князя Дмитрия Донского для защиты подступов к Ростово-Суздальскому княжеству со стороны Волги. Крепость дважды подвергалась разрушению: сначала татарами, затем поляками.
В советский период собор был закрыт, и его здание использовалось не по прямому назначению. В последующие годы, благодаря усилиям местных жителей и организаций, собор был восстановлен и вновь открыт для богослужений.
