Строительство нового летнего храма рядом с древним Христорождественским кафедральным собором было вызвано его малыми размерами и ветхостью, а также теснотой и духотой, особенно заметными во время зимних служб. В 1677 году митрополит Рязанский Иосиф обратился к царю Фёдору III Алексеевичу с просьбой разрешить строительство более просторной соборной церкви неподалёку, на месте пороховой палаты. В 1679 году по указу царя зелейная палата была разобрана. В марте 1684 года «подмастерье каменных дел Федор Шаритин со товарищами» заключил договор с митрополитом Павлом Моравским на строительство новой соборной церкви за 1250 рублей и дополнительные запасы. Работы должны были начаться 15-го числа и завершиться за три года. В 1692 году митрополит Авраамий с радостью сообщил Патриарху и царям Иоанну и Петру Алексеевичам, что строительство собора завершено, своды сводятся, а шеи для глав сделаны наполовину. Однако в ночь на 18 апреля 1692 года собор рухнул из-за неправильных расчётов или слабости грунтов, разрушив также надвратную церковь Варлаама Хутынского в Спасском монастыре.

В январе 1693 года митрополит Авраамий организовал новый конкурс на строительство соборного храма, и было заложено основание нынешнего Успенского кафедрального собора. Подряд получил мастер Яков Григорьев Бухвостов. Работы начались 18 мая 1693 года, и к концу 1699 года собор был подведён под крышу и обрёл пять глав. Артель резчиков Сергея Христофорова изготовила семиярусный иконостас, который в 1701 году был вызолочен московскими мастерами. Иконы писал Николай Соломонов с помощниками. Стены собора, порталы, колонны и наличники украшали мастера по проекту Якова Бухвостова. 15 августа 1702 года митрополит Стефан Яворский освятил новый Успенский собор.

В 1800 году жители Рязани узнали от преосвященного Симона Лагова, что Священный Синод предписал разобрать собор из-за «опасных ветхостей» и построить новый. Из-за высоты и открытого местоположения у храма срывало бурей главы и кровлю, в сводах и стенах появились трещины, а в верхних окнах выбивалась слюда. Зимой в храм заносило снег, а летом птицы вили гнёзда в иконостасе. Архиепископ Симон попросил граждан обсудить вопрос о помощи собору. Рязанские купцы Г. В. Рюмин и П. А. Мальшин пригласили архитектора из Москвы, который установил, что собор можно восстановить. Купцы пожертвовали средства и наняли мастеров. К 1804 году собор был восстановлен и 15 августа вновь освящён. Пожертвования составили 69.100 рублей.

Главной святыней Рязани считалась чудотворная Феодотьевская икона Божией Матери, явившаяся в 1487 году в поле у села Феодотьево. В её честь ежегодно проводились торжества 2 июля. Другая чудотворная икона, Муромская, более древняя. Ею благословил князя Константина Муромского его отец Святослав на княжение и распространение христианства. Перед этой иконой молился святитель Василий, епископ Рязанский, в 1288 году. В соборе также находился древний образ Иоанна Крестителя.

После 1917 года церковные службы в храме прекратились. Росписи на колоннах и стенах были испорчены побелками, а иконы и имущество реквизированы. Некоторое время в храме работал планетарий, а позже проводились музейные выставки. В 1992 году собор был возвращён Рязанской епархии и вновь освящён 13 июня. В этот день архиепископ Симон Новиков совершил всенощное бдение, а 14 июня, в праздник Святой Троицы, была проведена Божественная литургия. К 900-летию Рязани в 1995 году завершилась реставрация древнего иконостаса.