Первые документальные упоминания о монастыре на этом месте датируются 1592 годом, когда царь Фёдор Иоаннович пожаловал обители реку Тим со всеми угодьями. В 1615 году в монастыре числились игумен Харалампий, священник и 11 братии, проживавших в кельях. На тот момент в монастыре существовали две деревянные церкви: холодная Сергиевская и тёплая Благовещенская.
В 1647 году монастырь полностью выгорел, что послужило причиной для начала строительства каменной Сергиевской церкви, завершённого в 1664 году. В 1764 году, в ходе секуляризационной реформы Екатерины II, монастырь был упразднён, а его земли переданы в государственное управление.
В XVIII веке настоятелем монастыря был архимандрит Алексий (Щеглов), известный своей просветительской деятельностью. При нём была организована "Русская школа" для обучения детей духовенства и мещан грамоте, церковному пению и иконописи. Также при нём были завершены значительные строительные работы, включая возведение каменной ограды и расширение придела преподобного Сергия Радонежского в Успенско-Сергиевской церкви.
В 1938 году, в период антирелигиозной политики советской власти, храм был закрыт. Во время Великой Отечественной войны здание собора значительно пострадало, сохранились лишь стены и своды. Однако в 1948 году, согласно постановлению Совета Министров РСФСР, храм был взят под охрану государства, начались реставрационные работы, завершившиеся в 1951 году, после чего богослужения были возобновлены.
Архитектурный ансамбль собора включает в себя центральный храм с двумя престолами, освящёнными в честь Успения Пресвятой Богородицы и преподобного Сергия Радонежского, храм преподобного Серафима Саровского, а также колокольню с надвратным храмом в честь Тихвинской иконы Божией Матери. Недалеко от собора, на склоне берега реки Сосны, расположен источник в честь преподобного Сергия Радонежского и купель.
На территории собора находится усыпальница иноков, известная как "пещерка", являющаяся одной из почитаемых святынь города. Возле собора, справа от алтаря, установлена сень над могильной плитой архимандрита Алексия (Щеглова), скончавшегося в 1764 году.
При соборе действует воскресная школа, где дети обучаются основам православной веры и церковному пению. Кроме того, при храме издаётся ежемесячная газета "Свет Веры", освещающая события православного мира и жизни прихода.
Собор открыт для посещения ежедневно с 8:00 до 20:00. Утренние богослужения начинаются в 8:30, вечерние — в 18:00 (с Вербного воскресения по Крестовоздвижение) и в 17:00 (с Крестовоздвижения по Вербное воскресение). В воскресные дни совершаются две Божественные литургии: в 6:30 и 8:30.