Успенская церковь, украшенная иконами и другими красотами, просуществовала недолго. Согласно преданию, она сгорела в результате сильного пожара, который произошел между 1462 и 1497 годами. В 1462 году Пахомий Серб, автор жития Кирилла, еще видел ее.

Успенский собор, построенный в 1497 году, стал первым каменным храмом Кирилло-Белозерского монастыря и третьим на Русском Севере. До него существовали два деревянных Успенских храма. В 1641 году собор расписал иконописец Любим Агеев, который в 1643 году, вернувшись из Кириллова, работал над росписью Успенского собора Московского кремля. Из-за нехватки местных строителей и мастеров, монастырь обратился за помощью в Ростов Великий, центр своей епархии. Согласно летописям, в 1497 году в Кириллов прибыли ростовские мастера, 20 каменщиков и строителей под руководством Прохора Ростовского, которые за один летний сезон возвели каменный собор.

Летописи называли новый Успенский собор «церковью великой». Для своего времени он действительно был значительным, превосходя по размерам многие постройки в Москве и других городах. Даже сегодня, несмотря на последующие изменения, здание сохраняет величественный и торжественный облик. Его компактный кубический объем с тремя широкими полукруглыми апсидами увенчан мощной главой. Такой тип храма был распространен в Северо-Восточной Руси во второй половине XV века, в период формирования общерусского зодчества под главенством Москвы. Однако он отличается массивностью и простотой. Лишенный подклета и изначально свободный от пристроек, собор словно вырастает из земли, впечатляя своей монументальностью и собранностью форм.

В 2013-2014 годах в Успенском соборе были проведены масштабные реставрационные работы.