Успенский собор построен в русском национальном стиле и обладает традиционной крестово-купольной композицией, типичной для подобных сооружений. С восточной стороны к нему примыкают три полукруглые апсиды, а с западной, небольшая звонница. Храм отличается торжественностью и монументальностью, что придаёт ему уравновешенность масс и умеренное использование декора, характерное для древнерусской архитектуры.

Проект собора был разработан в 1895 году губернским инженером Александром Гавриловичем Старжинским, который также создавал проекты многих других храмов и приделов. В 1905 году состоялось освящение всех трёх престолов: главный престол, посвящённый Успению Богородицы, был освящён 1 мая; левый престол, во имя митрополита Киевского, святителя Алексия, 15 мая; правый престол, во имя святых Жен Мироносиц, 19 июня.

В 1920-х годах собор был передан советскими властями обновленцам. 25 октября 1931 года, после решения обновленческого епархиального управления о слиянии общин Богоявленской, Петропавловской и Покровской церквей, Успенский храм получил статус кафедрального собора. В 1934 году его закрыли и превратили в военный склад. Благодаря многочисленным ходатайствам прихожан и усилиям епископа Михаила (Постникова), который прибыл в Пензу и добился возвращения церковного имущества, переданного после закрытия в Пензенский краеведческий музей, в марте 1945 года храм был вновь открыт. Епископ Михаил также перенёс в собор свою кафедру из Митрофановской церкви.