Первый белокаменный собор на этом месте построили в 1158-1160 годах при князе Андрее Боголюбском. Эта церковь превосходила по высоте Софийские соборы Новгорода и Киева.
В 1185 году произошёл пожар, после которого к храму пристроили боковые галереи, увеличили алтарную часть и поставили четыре главы по углам. В стенах прежней церкви пробили дополнительные арки, чтобы внутреннее пространство было единым. От первоначальных фресок уцелели фрагменты, как и от росписей Андрея Рублёва и Даниила Чёрного XV века. В стенах захоронены епископы и владимирские князья, в северной галерее — Всеволод III и Андрей Боголюбский.
Екатерина II выделила 14 тысяч рублей на воссоздание благолепия церкви, при этом рублёвский иконостас заменили барочным. Большая часть нынешних фресок Успенского собора была выполнена в XIX столетии. В XVIII—XIX веках были сделаны контрфорсы, растёсаны окна, появилась четырёхскатная кровля. Колокольную с золочёным шпилем построили в 1810 году.
Успенский собор является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО. Им совместно владеют Русская православная церковь и Владимиро-Суздальский музей-заповедник. В главном кафедральном соборе епархии регулярно проводятся богослужения. Как музей Успенский собор открыт во все дни, кроме понедельника, с 13:00 до 16:45.
