Трёхкупольный собор был заложен в 1379 году великим князем Дмитрием Донским после первой победы русских войск над Ордой в битве на реке Воже. Строительство собора длилось один год. Предположительно, в росписи его принимал участие Феофан Грек.
С 1581 года по 1586 год в этом храме служил святитель Иов, епископ Коломенский, ставший первым патриархом Русской церкви.
Собор простоял до 1673 года, когда был из-за ветхости разобран. На его месте в течение 10 лет зодчим Мелетием Алексеевым был возведён новый храм, сохранившийся до наших дней.
В 1804 году храм заново расписали. На церемонию открытия после окончания росписи прибыл будущий святитель Филарет, сопровождавший митрополита Платона Левшина. В начале XIX века диаконом в Успенском соборе был Михаил Дроздов, отец святителя Филарета, позже получил сан священника и был назначен в храм Троицы в Ямской Слободе Коломны, сегодня храм Троицы на Репне. Позже в храме неоднократно служил и проповедовал сам святитель Филарет.
В 1920-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 был возвращён Русской православной церкви.
Настоятелем Успенского кафедрального собора является священник Илия Лукьянов. Почетным настоятелем Успенского кафедрального собора является духовник Коломенской духовной семинарии, председатель православного братства имени Дмитрия Донского города Коломна протоиерей Николай Качанкин.
Святыня храма, Донская икона Божией Матери, сопутствовала великому князю Дмитрию Донскому 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 увёз чудотворный образ в Москву, приказав создать для коломенского Успенского храма два точных списка.
В соборе хранились частицы мощей святого Иоанна Предтечи и преподобного Стефана Савваита. Храм был богато украшен, имел иконы в серебряных окладах, шитые пелены, причём одна из них была собственноручно вышита великой княгиней Софией Палеолог. Собор славился обширной библиотекой.
