Собор расположен на Волжском бульваре и входит в состав Троицко-Успенского соборного комплекса, включающего также Троицкий собор и колокольню.
Первоначально на месте нынешнего собора находился деревянный Спасо-Преображенский соборный храм, сожжённый польско-литовскими интервентами в 1609 году. Впоследствии, в 1745 году, на этом месте был возведён каменный Успенский собор. Сведения о финансировании строительства ограничены; известно, что главным вкладчиком был соборный дьячок И. А. Попов.
Архитектурно Успенский собор представляет собой пятиглавый храм, выполненный в традиционных формах с элементами эклектики, характерными для провинциального зодчества того времени. В 1798 году рядом с собором была построена многоярусная колокольня, выполненная в стиле, переходном от барокко к классицизму, высотой 76 метров.
В 1838 году к соборному комплексу был добавлен Троицкий собор, построенный в стиле ампир по проекту архитектора И. Е. Ефимова. В 1842 году к центральной части Успенского собора были пристроены два придела: правый — в честь благоверного князя Александра Невского и левый — в честь равноапостольного князя Владимира.
В советский период, в 1938 году, соборы были закрыты и использовались не по назначению. В 1945 году комплекс был вновь открыт для богослужений. С 1960 года собор находился под государственной охраной как памятник республиканского значения.
В период с 1979 по 1999 годы проводились реставрационные работы: четырежды производилась реставрация и промывка центрального придела, был расписан центральный купол, а в 1988 году — левый и правый приделы. Были выполнены три резных иконостаса с добавлением лепки на колоннах.
