Успенский кафедральный собор был заложен в Коломне в 1379 году святым благоверным князем Димитрием Донским в честь первой победы русских войск над Золотой Ордой при реке Воже. В 1380 году в этом строящемся храме он молился перед Куликовской битвой. Вскоре после победы собор был завершен и стал главным в Коломенской епархии, открытой в 1353 году.
Святыня храма — Донская икона Божией Матери сопутствовала великому князю во время его ратного подвига на поле Куликовом. Образ Пресвятой Богородицы, созданный преподобным Феофаном Греком, был очень почитаем на Руси. Перед ним молился, отправляясь в Казанский поход, царь Иван Грозный. После победы он увез чудотворный образ в Москву, приказав создать для коломенского Успенского храма два точных списка.
Предполагают, что в росписи храма в 1392 году, принимал участие преподобный Феофан Грек. В нижнем, основном, храме находились два престола: в честь Успения Божией Матери и во имя святого великомученика Димитрия Солунского. В верхнем храме престол во имя святого великомученика Никиты и святителя Леонтия Ростовского. В соборе хранились частицы мощей святого Иоанна Предтечи и преподобного Стефана Савваита. Храм был богато украшен, имел иконы в серебряных окладах, шитые пелены, причем одна из них была собственноручно вышита женой великой княгиней Софией Палеолог. Собор славился обширной библиотекой. В соборе погребены многие из коломенских архиереев.
С 1581 года по 1586 год в этом храме служил святитель Иов, епископ Коломенский, первый Патриарх Московский и всея Руси.
Основанный святым князем Димитрием Донским. собор простоял до 1672 года, когда из-за ветхости его разобрали. На его месте за десять лет зодчий Мелентий Алексеев возвел новый храм пятиглавый. В нижней части стен нового собора использовался белый камень древнего. В это же время была возведена шатровая колокольня собора, ныне примыкающая к стоящему поблизости Тихвинскому храму. В 1804 году собор заново расписали. В начале XIX века его настоятелем был протоиерей Михаил Дроздов, отец святителя Филарета. Позже в храме неоднократно служил и проповедовал сам святитель.
В 1880 году в соборе проходили церковные торжества в связи с празднованием 500-летия Куликовской битвы. В 1820-е годы церковным старостой собора служил Димитрий Вдовин, прославленный Русской Православной Церковью в 2002 году в Соборе новомучеников и исповедников Российских.
В 1929 году храм был закрыт и разграблен, захоронения коломенских архипастырей разорены. В 1989 году собор возвратили верующим. После реставрации 29 августа 1999 года великое освящение совершил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II.
