Подряд на строительство храма в 1693 году получил мастер каменных дел Яков Григорьев Бухвостов. Работы начаты были 18 мая 1693 г., и в конце 1699 г. собор подведен был под крышу и затем обрел свои 5 глав. Артель резчиков Сергея Христофорова изготовила для собора огромный семиярусный иконостас. В 1701 г. иконостас был вызолочен московскими мастерами-позолотчиками. Иконы для иконостаса писал иконописец Николай Соломонов с помощниками. Великолепием орнаментов белокаменной резьбы стены собора – порталы, колонны, наличники – украшали по проекту Якова Бухвостова мастера Никита Иустинов, Герасим Иванов, Иван Парфенов. Обряд освящения нового храма совершил 15 августа 1702 г. митрополит Стефан (Яворский). С тех пор собор украшает наш город и стал его символом. Но судьба собора была не из легких.
В 1800 г. обыватели Рязани узнали от преосвященного Симона (Лагова), что Священный Синод предписал разобрать собор по причине появления в нем «опасных ветхостей» и построить новый. Дело в том, что ввиду высоты и открытого местоположения срывало у храма бурей главы и кровлю, в сводах и стенах появились трещины, в верхних окнах вставленная слюда ветрами выбивалась. Архиепископ Симон объявил Рязанской думе указ Синода и попросил граждан посоветоваться между собой и дать ему знать, как они «рассудят о пособии для собора», разобрать собор или починить. Тогда рязанские купцы Г.В. Рюмин и П.А. Мальшин пригласили из Москвы архитектора и каменных дел мастера осмотреть собор. Оказалось, что собор можно исправить. Часть денег на это именитые купцы обязались пожертвовать и принялись за дело: подрядили каменотесов, мастеров каменных работ, живописца. К 1804 году Успенский кафедральный собор был возобновлен, а 15 августа того года вновь освящен.
После 1917 г. церковные службы в храме были прекращены. В 1992 г. собор возвращен Рязанской епархии и вновь освящен 25 лет назад, 13 июня 1992 г. К 900-летию Рязани в 1995 г. в храме была завершена реставрация древнего иконостаса.