Строительство собора началось по инициативе митрополита Савватия на месте старого обветшавшего одноэтажного собора. Митрополит собрал средства, но строить пришлось его преемнику, митрополиту Самсону. Строительство началось в 1697 году под руководством зодчего, крестьянина Дорофея Мякишева. Собор строился двухэтажным. Нижний храм был освящён в 1708 году в честь Владимирской иконы Божией Матери. Верхний храм в 1710 году в честь Успения Пресвятой Богородицы. В нижнем храме были устроены приделы в честь святителей Афанасия и Кирилла, патриархов Александрийских, и в честь святых Платона и Петра Афонских, позже переименованных в честь святых равноапостольных Кирилла и Мефодия.
В 1928 году Успенский собор был закрыт. Долгое время здесь располагались различные советские учреждения. Возвращение собора Церкви состоялось в 1992 году. Раенее, до 1923 года, Успенский собор считался кафедральным епархиальным собором. При соборе существует Пречистенская колокольня. Она уже третья на этом месте. Первая была построена в 1710 году. Настоящая колокольня выстроена в 1910 году по проекту архитектора С.И. Карягина.
После революции 1917 года, когда начались гонения на веру, для большинства российских храмов настали непростые времена. Успенский собор в Астрахани исключением не стал. Сначала из него экспроприировали ценности, потом на несколько лет передали обновленцам, которые совсем не следили за его состоянием. В результате в 1928 году в докладе о состоянии церквей и культурного имущества Астрахани прозвучала такая фраза, «Кафедральный собор представляет из себя громадную музейную ценность, но от времени постепенно изнашивается, даёт трещины и нуждается в тщательном поддержании, что община верующих, в пользовании коей он находится, сделать за отсутствием средств не может». Шли речи и о сносе здания. Непоправимое чуть было не случилось, к счастю, соответствующее постановление окружного исполкома вовремя пересмотрели и решили собор «приспособить». В нижнем храме разместился губернский архив, а верхний передали военным, и они устроили там спортзал. Тогда же встал вопрос о судьбе восьмиярусного иконостаса. Его предполагалось демонтировать, по официальной версии, для того, чтобы смыть позолоту. Против этого категорически возражали в Нижне-Волжском музее. Его резолюция крайне любопытна, «Бывший Успенский собор в г. Астрахани не только лучший памятник стиля московского барокко в Нижне-Волжском крае, но это вообще один из лучших памятников этого стиля всего СССР, иконостас его верхней церкви без сомнения, лучший барочный иконостас в крае. Уничтожение такой исключительной художественно-исторической ценности ради очень небольшого количества золота, которое получится при смывке, краевой музей считает нерациональным». Но слушать сотрудников музея никто не стал: иконостас сняли, разобрали и сожгли, а солдаты местного гарнизона, говорят, потом долго отрабытывали на святых образах меткость стрельбы. Серебряные царские врата пошли на переплавку.
Время шло, в стране сменился политический строй, а вместе с ним и отношение к религии. К началу 90-х годов прошлого века астраханский Успенский собор вернули верующим, и в 1992 году, в светлый праздник Рождества Христова, после более чем полувекового перерыва, в храме снова зазвучали молитвы. Первое богослужение тогда прошло в верхнем храме. Там поставили небольшой иконостас, его достали из музейных запасников, куда в своё время привезли из разрушенной церкви села Солёное Займище. Иконостас же для нижнего храма изготовили в древнерусском стиле мастера Троице-Сергиевой Лавры. В наш век прагматизма и стремления перевести жизнь в виртуальную реальность как никогда важно помнить о духовной составляющей нашего бытия. При астраханском Успенском соборе уже более десяти лет действует Центр возрождения православной духовности «Вера, Надежда, Любовь», а также воскресная школа. 26 апреля 2012 года было совершено освящение церкви святой Матроны в селе Самосделка Камызякского района, где учреждено подворье Успенского собора.
