Успенский собор выполнен в русском национальном стиле и имеет традиционную крестово-купольную объёмно-пространственную композицию, характерную для таких построек.
К нему примыкают три полукруглые апсиды с востока и небольшая звонница с запада. Храм имеет черты торжественности и монументальности, которые придают ему уравновешенность масс и умеренное использование декора, характерное для древнерусского зодчества.
Проект храма разработал в 1895 году губернский инженер Александр Гаврилович Старжинский, автор проектов многих храмов и приделов.
В 1905 году были освящены все три престола: главный, в память Успения Богородицы — 1 мая; левый, во имя митрополита Киевского, святителя Алексия — 15 мая; правый, во имя святых Жен Мироносиц — 19 июня.
В 1920-х годах был передан советскими властями обновленцам. 25 октября 1931 года в связи с решением обновленческого епархиального управления о слиянии «синодальных» (обновленческих) общин Богоявленской, Петропавловской, Покровской церквей, Успенский храм получил статус кафедрального собора. В 1934 году он был закрыт и превращён в военный склад. По многочисленным ходатайствам прихожан и благодаря приехавшему в Пензу епископу Михаилу (Постникову), которому удалось добиться возвращения церковного имущества, переданного после закрытия в Пензенский краеведческий музей, в марте 1945 года храм вновь был открыт. Епископ Михаил также перенёс в собор свою кафедру из Митрофановской церкви.
