La construction d'un nouveau temple a commencé en 1877 sur le site de l'ancienne église Panteleimon, érigée en 1871 près du cimetière militaire à Tachkent. Le financement de la construction a été assuré par des dons des habitants. Parmi eux, le gouverneur général de Turkestan, K. P. von Kaufmann, qui a fait un don de 3000 roubles. La plus grande somme a été versée par le marchand de première guilde de Tachkent, Dmitri Zakho, qui a ensuite été le chef de l'église pendant 15 ans.

La construction s'est achevée en 1878, et le 31 janvier 1879, le temple a été consacré en l'honneur du grand martyr et guérisseur Panteleimon.

En 1922, la paroisse, comme beaucoup d'autres en Asie centrale, est passée sous la direction du Synode rénovateur de l'Église orthodoxe russe. En 1933, le temple a été fermé aux services religieux, et jusqu'en 1945, son bâtiment a abrité un entrepôt sanitaire du district militaire d'Asie centrale. En décembre 1945, l'église a été restituée aux croyants et a été à nouveau consacrée en l'honneur de l'Assomption de la Sainte Vierge, obtenant le statut de cathédrale de l'évêché de Tachkent. En 1958 et 1960, sous l'évêque Ermogène (Golubev), le bâtiment a été reconstruit et considérablement agrandi.

Au début des années 1990, le clocher et les dômes de la cathédrale ont été rénovés, le terrain environnant a été agrandi et aménagé, et la décoration intérieure est devenue plus riche. Le 10 novembre 1996, le patriarche de Moscou et de toute la Russie, Alexis II, a célébré un service dans la cathédrale lors de sa visite à Tachkent.

En 2014, il a été décidé de construire dans la cathédrale un temple supplémentaire dédié à Luc pour les funérailles des défunts.