Строительство нового собора началось по инициативе митрополита Савватия на месте старого одноэтажного здания, которое пришло в негодность. Хотя Савватий собрал средства, строительство выпало на долю его преемника, митрополита Самсона. Работы начались в 1697 году под руководством зодчего Дорофея Мякишева, крестьянина по происхождению. Собор возводился двухэтажным: нижний храм освятили в 1708 году в честь Владимирской иконы Божией Матери, а верхний, в 1710 году в честь Успения Пресвятой Богородицы. В нижнем храме были устроены приделы в честь святителей Афанасия и Кирилла, патриархов Александрийских, а также святых Платона и Петра Афонских, позже переименованных в честь равноапостольных Кирилла и Мефодия.

В 1928 году Успенский собор был закрыт, и в его помещениях разместились различные советские учреждения. В 1992 году собор вернули Церкви. До 1923 года он считался кафедральным епархиальным собором. При соборе находится Пречистенская колокольня, третья на этом месте. Первая была построена в 1710 году, а нынешняя возведена в 1910 году по проекту архитектора С.И. Карягина.

После революции 1917 года многие российские храмы, включая Успенский собор в Астрахани, столкнулись с трудностями. Из собора изъяли ценности, а затем передали обновленцам, которые не заботились о его состоянии. В 1928 году в докладе о состоянии церквей Астрахани отмечалось, что собор представляет огромную музейную ценность, но нуждается в поддержании, на которое у общины не было средств. Обсуждался даже снос здания, но это решение было пересмотрено, и собор "приспособили": в нижнем храме разместился архив, а в верхнем, спортзал. Встал вопрос о судьбе иконостаса, который планировали демонтировать для снятия позолоты. Нижне-Волжский музей возражал, называя собор и его иконостас выдающимися памятниками московского барокко. Однако иконостас был разобран и уничтожен, а серебряные царские врата переплавлены.

Со временем политический строй изменился, и отношение к религии стало другим. В начале 1990-х годов Успенский собор вернули верующим, и в 1992 году, в праздник Рождества Христова, в нем вновь зазвучали молитвы. Первое богослужение прошло в верхнем храме, где установили иконостас из запасников музея, привезенный из разрушенной церкви села Солёное Займище. Для нижнего храма иконостас изготовили мастера Троице-Сергиевой Лавры в древнерусском стиле. В наше время, когда прагматизм и виртуальная реальность занимают все больше места, важно помнить о духовности. При Успенском соборе действует Центр возрождения православной духовности "Вера, Надежда, Любовь" и воскресная школа. 26 апреля 2012 года была освящена церковь святой Матроны в селе Самосделка Камызякского района, где учреждено подворье Успенского собора.