Первоначальное упоминание об Успенском соборе относится к XIV веку. Согласно историческим данным, в 1379 году великий князь Дмитрий Донской заложил каменный храм в честь Успения Пресвятой Богородицы после победы над войсками Золотой Орды. Строительство собора было завершено в 1382 году, и он стал одной из крупнейших каменных построек Московского княжества того времени. Считается, что в росписи собора принимал участие известный иконописец Феофан Грек.
В XVII веке, из-за ветхости, первоначальный храм был разобран, и на его месте в период с 1672 по 1682 годы был построен новый пятиглавый собор. Строительство велось под руководством зодчего Мелетия Алексеева. Белокаменные блоки от предыдущего храма были использованы в кладке нового здания. Архитектура собора сочетала традиции и новаторство того времени, отражая достижения русского зодчества второй половины XVII века.
В 1692 году рядом с собором была построена отдельно стоящая шатровая колокольня, которая стала важной частью архитектурного ансамбля Соборной площади. Колокольня отличалась массивным основанием и высоким шатром, украшенным тремя рядами слуховых окон.
В XVIII веке собор подвергся внутренним изменениям. В 1804 году были выполнены росписи храма, а в начале XIX века настоятелем собора был Михаил Дроздов, отец митрополита Филарета. Позже в храме неоднократно служил и проповедовал сам святитель Филарет.
В советский период, начиная с 1929 года, собор был закрыт и разграблен. Захоронения коломенских епископов были осквернены, а здание использовалось для различных хозяйственных нужд. В 1989 году собор был возвращён Русской Православной Церкви, и началась масштабная реставрация, продолжавшаяся десять лет. Воссоздано более полутора тысяч квадратных метров настенной росписи. 29 августа 1999 года Патриарх Алексий II совершил великое освящение обновлённого собора.
