Постройка нового летнего храма рядом с древним Христорождественским кафедральным собором обусловлена была малыми размерами и ветхостью последнего, теснотою и духотой в нём, особенно во время зимних служб. Митрополит Рязанский Иосиф в 1677 году обратился к царю Фёдору III Алексеевичу с прошением о дозволении построить новую соборную церковь попросторнее неподалёку, на том месте, где стояла тогда пороховая палата. В 1679 году по указу Государя зелейная палата была разобрана. В марте 1684 года «подмастерье каменных дел Федор Шаритин со товарищами» подрядился у митрополита Павла Моравского делать новую соборную церковь, «каменщики у преосвященнаго и у порядчиков за работу 1250 рублей, да запасу всякаго 300 четвертей, 140 пудов ветчины и прочая. А стать им к тому делу в 15 день и сделать оноев три годы». В 1692 году митрополит Авраамий с радостью доносил Патриарху и Государям Иоанну и Петру Алексеевичам, что «соборная церковь постройкой окончена, своды сведенны и шеи, где быть главам, до половины сделаны». Однако, в ночь на 18 апреля 1692 года чуть недостроенная соборная церковь рухнула по причине неправильных расчётов или слабости грунтов под фундаментом. Рухнувший собор разрушил и надвратную церковь прп. Варлаама Хутынского в Спасском монастыре.
Тот же митрополит Авраамий в январе 1693 года устроил новые подрядные торги на возведение соборного храма, и положено было основание ныне существующему летнему Успенскому кафедральному собору. Подряд на сей раз получил мастер каменных дел Яков Григорьев Бухвостов. Работы начаты были 18 мая 1693 года, и в конце 1699 года собор подведён был под крышу и затем обрёл свои 5 глав. Артель резчиков Сергея Христофорова изготовила для собора огромный семиярусный иконостас. В 1701 году иконостас был вызолочен московскими мастерами-позолотчиками. Иконы для иконостаса писал иконописец Николай Соломонов с помощниками. Великолепием орнаментов белокаменной резьбы стены собора, порталы, колонны, наличники украшали по проекту Якова Бухвостова мастера, Никита Иустинов, Герасим Иванов, Иван Парфенов. 15 августа 1702 года митрополит Стефан Яворский совершил освящение нового Успенского кафедрального собора.
В 1800 году обыватели Рязани узнали от преосвященного Симона Лагова, что Священный Синод предписал разобрать собор по причине появления в нём «опасных ветхостей» и построить новый. Ввиду высоты и открытого местоположения, у храма срывало бурей главы и кровлю, в сводах и стенах появились трещины, в верхних окнах ветрами выбивалась вставленная слюда. В дыры зимним временем в храм наметало снег; летом птицы залетали и вили гнёзда в иконостасе и портили его. За птичьим гомоном едва слышны были церковные службы. Архиепископ Симон объявил Рязанской думе указ Синода и попросил граждан посоветоваться между собой и дать ему знать, как они «рассудят о пособии для собора», разобрать собор или починить. Тогда рязанские купцы Г. В. Рюмин и П. А. Мальшин пригласили из Москвы архитектора и каменных дел мастера осмотреть собор. Оказалось, что собор можно исправить. Часть денег на это купцы обязались пожертвовать и наняли каменотесов, мастеров каменных работ, живописца. К 1804 году Успенский кафедральный собор был возобновлён, а 15 августа того года вновь освящён. От всех граждан пожертвования составили 69.100 рублей.
Главной рязанской святыней считалась чудотворная Феодотьевская икона Божией Матери, явившаяся в 1487 году в поле у села Феодотьево, близ Спасска. В честь этой иконы ежегодно совершались торжества 2 июля. Другая чудотворная икона Божией Матери Муромская, более древняя. Согласно житию благоверного князя Константина Муромского, неизвестного летописям, этой иконой его благословил отец Святослав, великий князь Киевский, внук великого князя Владимира, на княжение и распространение христианства на Муромо-Рязанском крае. Перед этой иконой молился святитель Василий, епископ Рязанский, когда в 1288 году он плыл из Рязани в Переяславль-Рязанский. В старинных описях икона именуется «моление святого Василия». Ещё был в соборе почитаемый древний образ Иоанна Крестителя.
После 1917 года церковные службы в храме были прекращены. Внутренние росписи на колоннах и стенах испорчены побелками. Иконы и все церковное имущество реквизированы новой властью. Некоторое время в храме действовал планетарий. Позже проводились музейные выставки. В 1992 году собор возвращён Рязанской епархии и вновь освящён 13 июня 1992 года. В этот день преосвященный Симон Новиков, архиепископ Рязанский и Касимовский, совершил всенощное бдение. На следующий день 14 июня, в праздник Святой Троицы в храме совершена Божественная литургия. К 900-летию Рязани в 1995 году в храме была завершена реставрация древнего иконостаса.
