À l'emplacement de l'actuelle cathédrale de l'Assomption, qui était le centre de la forteresse de Poltava, se trouvait auparavant une église en bois de l'Assomption, connue sous le nom de "cathédrale de la ville". Les dernières mentions de celle-ci datent de 1695. En 1776, l'église en bois a été transférée à la communauté du village d'Ivashki dans le district de Poltava. Son statut de cathédrale est attesté par une inscription sur un ancien akathiste. En 1748, à l'initiative du colonel Andrei Gorlenko et d'autres représentants de la vieille garde cosaque et de la communauté urbaine, il a été décidé de construire un temple en pierre. Le 8 novembre 1748, un contrat a été signé avec l'architecte renommé Stefan Stabansky. Les travaux ont commencé en 1751 et se sont poursuivis jusqu'en 1770.

C'était la première cathédrale en pierre à Poltava, mesurant 32 mètres de long et 17 mètres de large. Le bâtiment était à deux étages dans le style de la basilique byzantine avec des frontons décoratifs. Vers 1780, le temple a été reconstruit : deux dômes ont été ajoutés au-dessus de la partie de l'autel, le rendant à cinq dômes. Au deuxième étage, des chœurs ont été aménagés, pour lesquels un escalier a été construit, et la sacristie a été réaménagée. Le sol était à l'origine en brique de potier, mais a ensuite été remplacé par du fer.

Entre 1899 et 1900, la cathédrale a été agrandie : une chapelle a été ajoutée, ce qui l'a rendue plus lumineuse et plus spacieuse, augmentant la superficie de près de 170 m². Deux petites tours et une voûte en arc ont été ajoutées au-dessus de l'entrée, deux colonnes ont été démontées, et les chœurs ont été déplacés vers le mur ouest. En 1847, après le transfert du siège épiscopal de Pereyaslav à Poltava, la "cathédrale de la ville" est devenue cathédrale. La cathédrale était entourée d'une clôture en briques avec des grilles en fer forgé, remplaçant la clôture en bois en 1827. À l'intérieur se trouvait un iconostase sculpté à quatre niveaux "dans le style français". La cathédrale comptait cinq autels : le principal, au nom de l'Assomption de la Sainte Vierge ; à droite, ceux des apôtres Pierre et Paul ; à gauche, celui du prophète Élie, consacrés le 17 septembre 1774 ; dans les chœurs à droite, celui de l'archange Michel, consacré le 30 décembre 1776 ; à gauche, celui de la sainte grande martyre Barbara, consacré le 10 juin 1777. Le clocher, haut de 44 mètres, est resté longtemps vide après la destruction de la cathédrale en 1934. Pendant la guerre de 1941 à 1946, un temple de Jean-Baptiste, consacré le 27 février 1787, y a fonctionné.

Après la guerre, le clocher est resté en ruines pendant longtemps, puis a abrité divers ateliers. À l'occasion du 1100e anniversaire de Poltava, il a été décidé de restaurer le clocher et d'y créer un musée de la ville avec une plateforme d'observation au dernier étage. Récemment, une exposition d'artistes amateurs de la ville s'y tenait. Le clocher a été conservé jusqu'au début des années 1990.

La décision de restaurer la cathédrale a été prise en 1999 et achevée en 2005.