Собор є найдавнішим православним храмом Харкова.
Собор є найдавнішим православним храмом Харкова та має велику історичну та мистецьку цінність. Харків’яни звели сучасну будівлю в стилі бароко за кошти громади у 1771-1777 роках на місці зруйнованого старого однойменного храму, який існував із середини XVII століття. Розкішна дзвіниця собору з дванадцятьма дзвонами, яку звели вже у ХІХ столітті, лише на десять метрів нижча від дзвіниці Святого Марка у Венеції. Її висота складає 89,5 м. Великий –чотири метри в діаметрі – годинник, котрий прикрашає споруду, виготовили на спеціальне замовлення в Парижі та встановили у 1862 році.
Собор уникнув знищення під час Другої світової війни, хоча багато споруд навколо нього зазнали руйнувань. У 1984 році майстри відомої чехословацької фірми «Rieger-Kloss» на індивідуальне замовлення виготовили і встановили у відреставрованому соборі «вівтарний» орган, відтоді там діє Будинок органної і камерної музики. Унікальна акустика собору створює ідеальні умови для виконання класичних творів. Із 1990 року храм слугував за місце для регулярних богослужінь.
2 березня 2022 року російська армія артилерійськими снарядами пошкодила Свято-Успенський кафедральний собор у центрі Харкова. У результаті пошкоджено ікони та церковне начиння, зовнішнє та внутрішнє оздоблення, вибито вікна, зруйновано вітражі.
Від початку повномасштабного російського вторгнення Собор став місцем притулку харків’ян, які переховувалися від російських бомб та ракет.