La cathédrale de l'Assomption est construite dans le style national russe et possède une composition traditionnelle en croix avec coupole, typique de ce type de bâtiments. Du côté est, elle est adossée à trois absides semi-circulaires, et du côté ouest, une petite cloche. Le temple se distingue par sa solennité et sa monumentalité, ce qui lui confère un équilibre des masses et une utilisation modérée de la décoration, caractéristique de l'architecture russe ancienne.

Le projet de la cathédrale a été élaboré en 1895 par l'ingénieur provincial Alexandre Gavrilovitch Starjinski, qui a également conçu de nombreux autres temples et chapelles. En 1905, la consécration des trois autels a eu lieu : l'autel principal, dédié à l'Assomption de la Vierge, a été consacré le 1er mai ; l'autel gauche, au nom du métropolite de Kiev, saint Alexis, le 15 mai ; l'autel droit, au nom des saintes Femmes Myrrhophores, le 19 juin.

Dans les années 1920, la cathédrale a été transférée aux rénovateurs par les autorités soviétiques. Le 25 octobre 1931, après la décision de l'administration diocésaine rénovatrice de fusionner les communautés des églises de l'Épiphanie, de Saint-Pierre et de la Protection, le temple de l'Assomption a reçu le statut de cathédrale. En 1934, il a été fermé et transformé en entrepôt militaire. Grâce à de nombreuses pétitions des paroissiens et aux efforts de l'évêque Mikhaïl (Postnikov), qui est arrivé à Penza et a obtenu le retour des biens de l'église, transférés après la fermeture au musée régional de Penza, le temple a été rouvert en mars 1945. L'évêque Mikhaïl a également transféré son siège dans la cathédrale depuis l'église Mitrofanovskaya.