Первый каменный храм, построенный из плинфы, появился здесь в 1202 году, но был разрушен во время татарских набегов в 1238 и 1411 годах. Летописец упоминает, что татары, напав на Владимир, причинили много бед: разграбили соборную церковь, сожгли город, от огня расплавились колокола, а множество людей было убито или уведено в плен. От первоначального храма сохранились только фундамент и остатки стен, фрагменты которых были найдены в культурном слое почвы вокруг храма во время исследований перед реставрацией 1958-1960-х годов. Тогда были обнаружены многочисленные детали из плинфы, а также обломки полуколонок и пилястр, свидетельствующие о богатом убранстве храма. На старом фундаменте в первой половине XVI века был построен новый кирпичный собор, нижняя часть стен которого выполнена из древней плинфы. Этот второй Успенский собор сохранился до наших дней, хотя и претерпел значительные изменения. Первоначальная паперть с приделами была изменена, позакомарное покрытие заменено на четырехскатное, а в 1781 году глава собора была перестроена. В XVI веке собор имел единственный южный Благовещенский придел, высота которого была чуть ниже южной апсиды. В конце следующего столетия галерея вокруг собора была перестроена после пожара, высота придела уменьшена, а покрытие стало посводным. С северной стороны был добавлен Христорождественский придел. Декор окон приделов указывает на архитектурно-исторический период.

В 1781 году собор был украшен в духе времени: над барабаном появился восьмерик с луковичной главой, который простоял до реставрации 1920-х годов. В 1780-х годах позакомарное завершение собора было частично разобрано для установки новой железной крыши. После 1917 года здания монастыря привлекли внимание новых властей, и после опустошения храмов в монастыре разместился "поселок имени Воровского". Храмы перешли во владение Владимирского губмузея, а колокольню и стены монастыря разобрали в 1932 году. До 1929 года Успенский собор использовался как склад, а затем как зернохранилище. В 1924 году архитектор Петр Дмитриевич Барановский, работая во Владимире, смог провести обследование и частичную реставрацию собора, подтвердив его историческую ценность. В 1924-1925 годах были разобраны надстроенный в 1781 году барабан и очищены остатки позакомарных сводов. С 1945 года в соборе разместилась Владимирская реставрационная мастерская, а в 1958-1960-х годах была проведена полная реставрация. Проект реставрации разработали Александр и Игорь Столетовы. В результате собору вернули его первоначальный облик: четверик с трехъярусным завершением, пилястры фасадов, барабан с шлемовидной главой и узкие высокие окна. Первоначальную паперть не восстанавливали, а оставили ту, что была построена в 1823 году. Были устранены трещины и обновлены фрагменты кирпичной кладки, а также восстановлены металлические связи. Сегодня облик Успенского собора представляет собой сочетание архитектурных форм разных эпох.