В период с 1940-х по 1960-е годы в Салавате отсутствовали православные храмы, и верующие были вынуждены посещать богослужения в соседнем городе Ишимбае. Позднее в микрорайоне Мусино был организован молельный дом, который стал временным решением для проведения религиозных обрядов.
Строительство нового храма в Салавате началось в 1990 году. 19 августа 1994 года епископ Уфимский и Стерлитамакский Никон (Васюков) заложил и освятил первый камень в основание будущего храма. Предприятие «Ишимбайжилстрой» осуществило закладку фундамента, а генеральным заказчиком строительства выступило ОАО «Салаватнефтеоргсинтез». Руководство проектом осуществляло Управление капитального строительства ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» под руководством В. П. Мишенева, а подрядчиком стало СПК «Жилпромстрой» во главе с В. В. Петраковским.
В строительстве храма активное участие приняли местные предприятия и их руководители, включая В. П. Мишенева, В. В. Петраковского, Ф. В. Золотарёва, Н. И. Сигакова, а также П. М. Рожкова из ОАО «Башэлектромонтаж» и Г. Ф. Паршикова из «Салаватского водоканала». Колокола для храма были приобретены и подарены фирмой В. В. Петраковского.
Открытие храма состоялось 29 ноября 2002 года. Иконы для иконостаса были написаны художником Андреем Чемакиным. В храме установлен престол в честь святого благоверного князя Димитрия Донского. На территории храма также построена часовня.
В 2011 году при поддержке ОАО «Газпром нефтехим Салават» в храме была проведена реконструкция, включающая ремонт внутренних помещений административного здания, где были обустроены библиотека, трапезная, прачечная и социальные службы.
В 2012 году была образована Салаватско-Кумертауская епархия, и храм стал кафедральным собором. В 2013 году храм получил официальный статус собора и стал именоваться Успенским кафедральным собором города Салавата. В 2015 году в храме проводилась реконструкция, включающая роспись стен верхнего предела; во время реставрации богослужения проходили в нижнем храме.
На территории храмового комплекса 23 апреля 2015 года был открыт и освящён армянский поклонный крест — хачкар из розового туфа, установленный в память о геноциде армянского народа. Скульптором хачкара является Фридрих Мкртичевич Согоян, заслуженный художник Армении и народный художник России.
