В конце XIX века было принято решение на средства, собранные для расширения Восресенского собора в Омске, построить храм в центре города, на месте бывшей городской рощи.

Первоначально предполагалось, что это будет храм Вознесения, но в 1895 году, после создания в Омске православной епархии, было решено назвать собор Успенским кафедральным.
Архитектор Э. Виррих взял за основу проект Санкт-Петербургского храма Спаса на Крови 1894 года, выполненный А. Парландом. При этом омский храм стал не копией, а переработкой архитектурного решения, что в храмовом зодчестве было обычным явлением.
Строительство было начато 16 июля 1891 году. Первый камень в основание собора заложил путешествовавший по стране цесаревич Николай Александрович, будущий российский император Николай II.

Первоначально руководил проектом инженер К. А. Лешевич. После его отъезда, с 14 октября 1897 года руководство принимает областной инженер А. С. Эйнарович. 9 сентября 1898 года первый омский епископ Григорий освятил собор.
26 августа 1912 года в Омске широко отмечается Столетний юбилей Отечественной войны 1812 года. В Успенском соборе была совершена заупокойная литургия и панихида по императору Александру I, затем на площади перед храмом — торжественный молебен.
21 февраля 1913 года в соборе служится молебен в честь 300-летия Дома Романовых. После богослужения организуется крестный ход и церковный парад.

После Гражданской войны храм передан «обновленцам» (представителям течения русской православной церкви, лояльно относившимся к большевикам). Но с 1923 года службы в храме прекращаются окончательно. Здание, переданное советским властям, долгое время пустует.

В 1933 году с собора были сняты колокола и переплавлены на нужды индустриализации страны. В 1934 году вся церковная утварь была передана в созданный Музей атеизма и впоследствии утеряна.17 февраля 1935 года по предложению начальника Омского НКВД Салыня на заседании Президиума Омского областного исполнительного комитета Советов РК и КД было принято решение о сносе здания. В том же году храм был взорван. Предполагалось использовать кирпичи собора для нового здания областного НКВД, но после взрыва они были непригодны для строительства. Примечательно, что останки храма существовали ещё долгое время.

В 1999 году на месте бывшего собора устанавливается Поклонный крест.
11 июля 2005 года правительство Омской области принимает решение воссоздать Успенский собор, как памятник истории и культуры Омского Прииртышья.
14 октября 2005 года состоялась церемония закладки первого камня в основание нового собора.
14 января 2006 года началось возведение кирпичных стен. В июле того же года были освящены 13 колоколов (общим весом в 5,5 тонны). В канун Рождества, 6 января 2007 года, колокола впервые зазвучали на новой колокольне.
30 марта 2007 года был поднят главный купол собора. 16 апреля на нём установлен крест.
31 мая 2007 года были установлены керамические иконы, которые стали главным украшением внешних стен храма. 2 июля начался монтаж иконостаса.
Новый Успенский собор был торжественно освящён 15 июля 2007 года.