Строительство нового храма началось в 1877 году на месте старой Пантелеимоновской церкви, возведенной в 1871 году у госпитального кладбища в Ташкенте. Финансирование строительства осуществлялось за счет пожертвований горожан. Среди них туркестанский генерал-губернатор К. П. фон Кауфман, который пожертвовал 3000 рублей. Наибольшую сумму внес ташкентский купец первой гильдии Дмитрий Захо, который затем в течение 15 лет служил церковным старостой.

Строительство завершилось в 1878 году, а 31 января 1879 года храм был освящен в честь великомученика и целителя Пантелеимона.

В 1922 году приход, как и многие другие в Средней Азии, перешел под управление обновленческого Синода Православной Российской Церкви. В 1933 году храм закрыли для богослужений, и до 1945 года в его здании размещался санитарный склад Среднеазиатского военного округа. В декабре 1945 года церковь была возвращена верующим и повторно освящена в честь Успения Пресвятой Богородицы, получив статус кафедрального собора Ташкентской епархии. В 1958 и 1960 годах, при епископе Ермогене (Голубеве), здание было перестроено и значительно расширено.

В начале 1990-х годов была обновлена колокольня и купола собора, расширена и благоустроена прилегающая территория, а внутреннее убранство стало более богатым. 10 ноября 1996 года патриарх Московский и всея Руси Алексий II совершил богослужение в соборе во время своего визита в Ташкент.

В 2014 году было принято решение о строительстве в соборе дополнительного храма Луки для проведения отпевания усопших.