Успенский кафедральный собор в Бийске был заложен 5 июля 1898 года по благословению епископа Томского и Барнаульского Макария (Невского). Строительство велось на средства прихожан, значительную часть которых составили пожертвования бийского купца Михаила Савельевича Сычёва, занимавшего должность церковного старосты. Храм возводился артелью П.Г. Пленкина по проекту томского епархиального архитектора В.В. Хабарова в русско-византийском стиле. Освящение трёх престолов состоялось 5, 19 октября и 2 ноября 1903 года епископом Бийским Макарием (Павловым).
Предшественниками собора были два храма с тем же посвящением. Первый, деревянный Успенский храм, построенный в 1774 году по инициативе коменданта Бийской крепости полковника П.И. Четова, был разобран в 1830-х годах из-за ветхости. Второй, каменный собор, возведённый в 1794 году и известный как Казачий, прекратил существование в 1903 году по той же причине.
В 1932 году собор был закрыт и использовался как зернохранилище. Богослужения возобновились в 1947 году после передачи здания верующим. В 1994 году храм получил статус собора, а в 1998 году стал кафедральным. Архитектурный облик характеризуется сочетанием объёмов разной высоты, завершённых луковичными главами. Фасады оштукатурены и окрашены в белый цвет, купола покрыты железом и выкрашены в голубой цвет.
При храме в начале XX века действовали церковно-приходская мужская школа, приходское мужское училище Министерства народного просвещения и Николаевское женское училище. Внутреннее убранство включало резные позолоченные иконостасы работы бийской мастерской А.А. Борзенкова и росписи артели Патрушева. Библиотека собора насчитывала более 1000 книг, включая старопечатные издания.