Историята на тази забележителна черква се крие още в първите години след Освобождението. Православното българско население в града бързо нараствало. За да потвърдят близостта си до руската православна вяра и демонстрират отделянето си от гръцката патриаршия при първото си посещение във Варна княз Дондуков-Корсаков бил поканен от варненските общинари да присъства на тържествената служба в българската черква "Св. Архангел Михаил". Той останал дълбоко разочарован от състоянието на храма и заявил, че градът заслужава представителна черква, която да няма равна в страната. И бил готов да помогне.

На 9 ноември 1879 г. на свиканата от митрополит Симеон църковна община била избрана комисия, която да подготви построяването на нова черква. Първата задача на комисията била да определи мястото, както и да събере средства и снабди строежа със строителен и дървен материал.

Градежът се оценявал на 300 - 400 хиляди франка, като се разчитало голяма част да бъдат събрани от доброволни дарения. Събраните 15000 франка били бързо изразходени, затова била разиграна и лотария от 150000 билета по 2 лева. Варненската община станала гарант на отпуснатите от правителството 100000 лева. За строежа на катедралния храм били вложени предимно материали от околността на Варна. Използвани били запазени дялани камъни от разрушената крепостна стена, за фасадата бил доставен материал от района на селата Любен Каравелово и Куманово, а вътрешните колони били от твърд камък от местността Ташлъ тепе (телевизионната кула). Външните колони под прозорците били от русенски камък, сводовете - от варовития бигор. Величко Христов доставил от Англия медните листове за покрива. От там били докарани и две подемни машини за вдигане на тежките каменни блокове.

Честта да положи основния камък на бъдещия храм имал княз Александър І Батенберг, който пристигнал във Варна на 4 август. Самата церемония била на 22 август 1880 г. след тържествен молебен, с благословия от митрополит Симеон и в присъствието на много българи и арменци. След водосвета князът помилвал всички затворници от варненския затвор, на които им оставали три месеца до края на присъдата. Избраното име, "Успение Пресвятия Богородици", било в памет на всерусийската императрица Мария Александровна, българска благодетелка и леля на княза, починала наскоро.

Първоначално избраното "5000 кв.аршина общинско място до правителствения дом" (в градинката зад Часовника) не се харесало на княза. "Негово Величество избра за тази цел площта отзад присъствените места, срещу казармата от една страна и болницата от друга, помежду новата махала и град Варна." Това било на края на тогавашния град. "Избраното място за упоменатия храм е от една много широка площ, което позволява да се направи около храма и градина. Тази площ се възвишава над Варна, от която добре се вижда сичкий град, станцията на железния път, много села, пристанището и Черно море на голямо и безпределно пространство; виждат се още по двете обработени части, обърнати откъде Варна, прекрасни лозя..." Наистина, малко са снимките и картичките от стара Варна, на които да не се вижда катедралата.

Строителството на храма почнало веднага и продължило шест години. Проектът бил на одеския архитект Маас, и бил по модел на Петерховския храм в Петербург. Сключеният с него контракт бил за 6000 лева, но скоро поискал допълнителни средства. Комисията решила да откупи плана му и да се откаже от ангажирането му по строителството. Така основите били положени по плана на Маас, а самата сграда се строяла по плана на общинския архитект П. Купка. Предвиждало се черквата да е с размери 35 х 35 метра, трикорабна базилика, като главният олтар да е посветен на светото Успение Богородично, северният - на свети благоверен княз Александър Невски, а южният на свети Николай чудотворец.

Още през лятото бил обсъден въпросът за избор на майстор и било решено да се телеграфира на майстор Фича от Търново (Колю Фичето), но преговорите с него не сполучили. Временно ръководството било възложено на варненския майстор Васил Иванов. След дълго търсене на архитект работата била дадена на майстор Янко Костанди, който строил и черквата "Св. Николай". На 15 март 1884 г. комисията възложила строежа на известния строител на черкви уста Генчо Кънев от Трявна. На следващата година храмът бил вдигнат, през септември бил завършен и покривът, а първата божествена литургия била отслужена на 30 август 1886 г. Вътрешното му обзавеждане продължило и в следващите години. Архиерейския трон, направен от Нико Мавроди бил поставен през 1897 г., по-късно бил изработен и иконостасът от дебърския майстор Иван Филипов. Относно камбаната, в края на януари 1890 г. настоятелството решава "вместо да се прави особено здание и да се харчат 30000 лева, да се повдигне кубето, за да се чува камбаната из град Варна". Тя трябвало да бъде 100 пуда тежка и с надпис "В чест на Освободителя".

През 1901 г. като помощ от руския цар Николай ІІ от Русия били донесени 42 по-малки и 3 големи икони от Николай Богошкий, а през 1904 г. още осем икони за средните и северните врати. Подът на черквата бил застлан с разноцветни керамични плочки през 1911 г. След четири години бил готов и балконът. През 1941-43 г. била доизградена камбанарията (висока 38 метра) и куполите до днешния си вид, било направено парното и подменена покривната конструкция. Големи били затрудненията да се намери предприемач, който да поеме ремонта, тъй като работата била деликатна и трудна. Във времето на война проблем било и закупуването на материалите и превоза им. Изографисването на храма започва след 1949 г., под ръководството на проф.Н. Ростовцев, който дарява стенописите в притвора. Монтираните тогава полилеи са работа на резбаря П. Кушлев.

В средата на 60-те години са направени витражите, като на големите южни прозорци (към площада) са изобразени св. Кирил и св. Методий, а на северните са образите на св. Климент и св. Ангеларий.

През пролетта на 2000 г. обхванатите от патина медни кубета са освежени и боядисани със златна боя. През същата година, в рамките на програмата "Красива България" е обновена и фасадата на сградата на Варненската и Преславска митрополия.