Успенская церковь, «украшенная иконами и инеми красотами», просуществовала, недолго. Как сообщает предание, она сгорела во время сильного пожара, разразившегося где-то между 1462 — 1497 годами. В 1462 году ее еще видел Пахомий Серб, автор жития Кирилла.
Успенский собор, построенный в 1497 году — первый каменный храм Кирилло-Белозерского монастыря, третий на Русском Севере. Ему предшествовали два деревянных Успенских храма. Собор расписан в 1641 году иконописцем Любимом Агеевым, который, вернувшись в 1643 году из Кириллова, расписывал Успенский собор Московского кремля. Отсутствие местных строительных кадров, зодчих, каменщиков и прочих мастеров, заставило богатый монастырь обратиться за помощью в сооружении нового, монументального собора в центр своей епархии — Ростов Великий. Согласно летописным данным, прибывшие в Кириллов в 1497 году ростовские мастера, 20 каменщиков и «стенщиков» во главе с Прохором Ростовским, в течение одного летнего сезона возвели каменный соборный храм.
Новый Успенский собор летописи именовали «церковью великой». И действительно, для своего времени он был очень значительным, превышая по размерам многие постройки тех лет в Москве и других городах. Даже сегодня, несмотря на все последующие переделки, здание не утратило своего величественного и торжественного облика. Его компактный кубический объем с тремя широкими и несколько уплощенными полукруглыми апсидами увенчан мощной, крепко посаженной главой. Подобный тип храма принадлежит к наиболее распространенным в Северо-Восточной Руси во второй половине XV века, в эпоху формирования под главенством Москвы общерусского зодчества. Однако трактован он очень индивидуально, отличаясь массивностью и простотой. Лишенный подклета и сначала свободный от тесно окружающих его сейчас пристроек, собор как бы вырастает прямо из земли, производя внушительное впечатление монументальностью и собранностью своих форм.
В 2013-2014 годах в Успенском соборе проведены масштабные реставрационные работы.
