На месте современного Свято-Успенского собора, который был центром полтавской крепости, ранее находилась деревянная Успенская церковь, известная как "градский собор". Последние упоминания о ней датируются 1695 годом. В 1776 году деревянную церковь передали общине села Ивашки Полтавского района. О ее статусе как соборной церкви свидетельствует надпись на старинном акафистнике. В 1748 году по инициативе полковника Андрея Горленко и других представителей казацкой старшины и городской общественности было принято решение о строительстве каменного храма. 8 ноября 1748 года был заключен договор с известным архитектором Стефаном Стабанским. Работы начались в 1751 году и продолжались до 1770 года.

Это был первый каменный собор в Полтаве, длиной 32 метра и шириной 17 метров. Здание было двухэтажным в стиле византийской базилики с декоративными фронтонами. Около 1780 года храм был перестроен: добавили два купола над алтарной частью, и он стал пятикупольным. На втором этаже обустроили хоры, для которых построили лестницу, и перестроили ризницу. Пол изначально был из гончарного кирпича, но позже его заменили на чугунный.

В 1899-1900 годах собор был расширен: добавили придел, что сделало его светлее и просторнее, увеличив площадь почти на 170 кв.м. Над входом появились две небольшие башни и арочное перекрытие, демонтировали два столба, а хоры переместили к западной стене. В 1847 году, после переноса архиерейской кафедры из Переяслава в Полтаву, "градский собор" стал кафедральным. Собор был окружен кирпичной оградой с коваными решетками, заменившей деревянную в 1827 году. Внутри находился четырехъярусный резной иконостас "во французском стиле". В соборе было пять престолов: главный, во имя Успения Пресвятой Богородицы; справа, апостолов Петра и Павла; слева, пророка Ильи, освященные 17 сентября 1774 года; на хорах справа, святого Архистратига Михаила, освященный 30 декабря 1776 года; слева, святой великомученицы Варвары, освященный 10 июня 1777 года. Колокольня высотой 44 метра после разрушения собора в 1934 году долгое время стояла пустой. Во время войны с 1941 по 1946 год в ней действовал храм Иоанна Предтечи, освященный 27 февраля 1787 года.

После войны колокольня долгое время оставалась в руинах, позже в ней размещались различные мастерские. В честь 1100-летия Полтавы было решено реставрировать колокольню и создать в ней музей города с обзорной площадкой на верхнем ярусе. В последнее время здесь располагалась выставка самодеятельных художников города. Колокольня сохранилась до начала 1990-х годов.

Решение о восстановлении собора было принято в 1999 году, и завершено в 2005 году.