El primer templo de la Asunción en Odesa apareció 20 años después de la fundación de la ciudad. Una pequeña capilla de viejos creyentes fue consagrada el 7 de julio de 1814. En 1845 se aprobó el plan de construcción de un templo de tres altares de la Asunción, y ocho años después, en 1853, se trajo aquí por primera vez una de las principales reliquias del sur de la Rusia imperial, el milagroso ícono de la Madre de Dios de «Kasperovskaya». En 1854, este ícono protegió a la ciudad de la flota anglo-franco-turca, que entró en la bahía de Odesa.

El 17 de julio de 1855, el santo Inocencio colocó la primera piedra del nuevo templo de tres altares de la Asunción en la calle Preobrazhenskaya. Los principales fondos para la construcción fueron proporcionados por los comerciantes de Odesa, los Cherepenikov, y el arquitecto fue L. Otton.

La construcción del templo duró 14 años, y el 12 de abril de 1869, el arzobispo de Jerson y Odesa, Dimitri, consagró el edificio de la catedral.

El 19 de enero de 1875, el arzobispo de Jerson y Odesa, Leontiy, consagró el altar principal del templo inferior de los creyentes en nombre del santo y milagroso Nicolás, protector de los marineros y viajeros, y el 30 de enero, el segundo altar, en nombre de los Tres Santos: Basilio el Grande, Gregorio el Teólogo y Juan Crisóstomo. Más tarde, los habitantes de Moscú donaron íconos y utensilios litúrgicos para el templo inferior de la iglesia de la Asunción de Odesa.

En el templo inferior de la catedral de la Asunción se encuentran las reliquias del justo Ion, quien, según sus contemporáneos, manifestaba múltiples formas de santidad. El padre Ion poseía el don de la profecía y la curación de enfermedades del alma y del cuerpo. La cruz con la que consagraba el agua se conserva hasta hoy en la catedral y es una de las reliquias más veneradas.

En la catedral de la Asunción de Odesa también se encuentra el ícono del santo Inocencio con una parte de sus reliquias.

Con la llegada de los bolcheviques, la catedral de la Asunción, al igual que otros templos de la ciudad, tuvo que enfrentar dificultades. El templo fue cerrado a finales de la década de 1930.

En 1942, los ocupantes rumanos reanudaron la actividad del templo inferior, para lo cual tuvieron que bombear agua de él durante varios días, ya que estaba inundado hasta 1,5 metros. Durante la Gran Guerra Patria, el templo superior sufrió más que el inferior, ya que una bomba alemana impactó en la cúpula central. Sin embargo, el campanario de 56 metros de la iglesia se convirtió en un símbolo de la lucha de los habitantes de Odesa contra los ocupantes fascistas. Una de las historias cuenta que una noche, los partisanos soviéticos izaron una bandera roja en el campanario, que los rumanos solo pudieron quitar al día siguiente. Este evento fue recordado alguna vez por una placa conmemorativa en la pared de la iglesia.

La restauración del templo después de la guerra fue posible gracias a los esfuerzos del arzobispo Nikon, el metropolitano Boris y el patriarca Alexis I Simansky.

En 2008, por iniciativa y bendición del metropolitano de Odesa e Izmail, Agafangel, se llevó a cabo una renovación capital del edificio, se mejoró el sistema de calefacción y el templo fue decorado con nuevos frescos. Los diseñadores de los frescos del templo superior fueron Vladimir Borisov y Rostislav Antonov, y los frescos fueron realizados por los artistas Vitaliy y Daniil Jomnitski. Gracias a los esfuerzos del Señor Agafangel, se mejoró la escuela dominical. En 2010, con su bendición, se doró la cúpula sobre el campanario, y en 2012, la cúpula principal.