Трёхкупольный собор был основан в 1379 году великим князем Дмитрием Донским после победы русских войск над Ордой в битве на реке Воже. Строительство длилось год, и предполагается, что в росписи участвовал Феофан Грек.

С 1581 по 1586 год в этом храме служил святитель Иов, епископ Коломенский, который стал первым патриархом Русской церкви.

Собор простоял до 1673 года, когда его разобрали из-за ветхости. На его месте зодчий Мелетий Алексеев в течение 10 лет построил новый храм, который сохранился до наших дней.

В 1804 году храм был заново расписан. На открытие после росписи прибыл будущий святитель Филарет, сопровождавший митрополита Платона Левшина. В начале XIX века диаконом в Успенском соборе был Михаил Дроздов, отец святителя Филарета, который позже стал священником и служил в храме Троицы в Ямской Слободе Коломны, ныне храм Троицы на Репне. Позже в этом храме часто служил и проповедовал сам святитель Филарет.

В 1920-е годы церковным старостой собора был Димитрий Вдовин, который был причислен к лику святых Русской православной церковью в 2002 году в Соборе новомучеников и исповедников Российских.

В 1929 году храм был закрыт и разграблен, а захоронения коломенских архипастырей разорены.

В 1989 году собор был возвращён Русской православной церкви.

Настоятелем Успенского кафедрального собора является священник Илия Лукьянов. Почётным настоятелем собора является духовник Коломенской духовной семинарии и председатель православного братства имени Дмитрия Донского города Коломна протоиерей Николай Качанкин.

Святыня храма, Донская икона Божией Матери, сопровождала великого князя Дмитрия Донского в его ратном подвиге на Куликовом поле. Образ Пресвятой Богородицы, созданный преподобным Феофаном Греком, был очень почитаем на Руси. Перед ним молился царь Иван Грозный перед Казанским походом. После победы он увёз чудотворный образ в Москву и приказал создать для коломенского Успенского храма два точных списка.

В соборе хранились частицы мощей святого Иоанна Предтечи и преподобного Стефана Савваита. Храм был богато украшен, имел иконы в серебряных окладах и шитые пелены, одна из которых была вышита великой княгиней Софией Палеолог. Собор славился обширной библиотекой.