В 1998 году архиепископ Алма-Атинский и Семипалатинский Алексий (ныне – митрополит Тульский и Ефремовский) обратился к руководству Астаны с ходатайством о строительстве в столице нового кафедрального собора. Инициативу строительства одобрил и поддержал Президент Н.А.Назарбаев. В 1999 году акимат Астаны выделил для строительства участок земли в микрорайоне № 6 по улице Жумабаева.
      В середине 2004 года начались проектно-изыскательские работы. Весной 2005 года была электрифицирована строительная площадка, выкопан котлован и к 15 августа забиты сваи в количестве 396 штук.
      14 января 2006 года митрополит Астанайский и Алма-Атинский Мефодий (ныне – митрополит Пермский и Соликамский) совершил чин освящения закладного камня в основание строящегося кафедрального собора, после чего начался этап заливки стен нижнего храма, находящегося в цокольном этаже.
      К апрелю 2006 года были смонтированы перекрытия и полностью подготовлено для совершения богослужений помещение нижнего храма.
      В январе 2007 года при содействии акимата города Астаны был организован Общественный Фонд возведения собора Успения Божией Матери, из средств которого было оплачено завершение проектирования и финансировались текущие строительные работы.
В 2007 году в России были отлиты колокола для звонницы.
      В 2008 году возведены стены и утверждены своды. Параллельно с возведением собора велись работы по благоустройству храмового комплекса: по периметру создана каменная ограда с металлическими решетками, территория храма выложена брусчаткой, посажены деревья и построена водосвятная часовня с расположенной непосредственно над ней колокольней.
      К Пасхе 2009 года началась облицовка наружных стен белым мрамором, устанавливались окна и двери. Со стороны улиц Жумабаева и Куйши Дина сооружены две входные группы.
      Успенский собор стал самым большим православным храмом на территории Казахстана и Центральной Азии. Высота от основания до вершины венчающего центральный купол креста составила 68 метров. Собор состоит из нижнего и верхнего храмов, с общей площадью более двух тысяч квадратных метров; одновременно здесь может поместиться до четырех тысяч человек. Высота внутри верхнего храма от пола до сводов – 32 метра, а от пола до верхней точки центрального купола – 44 метра. Благодаря высоким оконным проемам интерьеры храма наполнены светом. Наружные своды покрыты кровельным железом, выкрашенным в голубой цвет. Храм венчают пять куполов. Главы покрыты металлическими «шашками-лемехами», вызолоченными нитридом титана.
      Всего храм имеет четыре престола: центральный престол верхнего храма посвящен Успению Пресвятой Богородицы; в южном боковом приделе – Архистратигу Божию Михаилу и прочим Небесным Силам бесплотным; в северном боковом - святым равноапостольным Кириллу и Мефодию, просветителям славянским; престол нижнего храма освящен в честь Собора новомучеников и исповедников Казахстанских.
В августе 2009 года, накануне престольного праздника Успения Пресвятой Богородицы, митрополит Мефодий совершил освящение куполов и крестов.
      После установки куполов четыре с половиной месяца продолжались отделочные работы в интерьере собора и подготовка к великому освящению храма.
      16 января 2010 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл прибыл с Первосвятительским визитом в Республику Казахстан. На следующий день - 17 января, в Неделю пред Богоявлением и в праздник Собора 70-ти апостолов, Предстоятель Русской Православной Церкви совершил чин великого освящения Успенского кафедрального собора столицы, после чего возглавил Божественную Литургию в новоосвященном храме.
      В 2011 году началось создание иконостаса. К работе были привлечены костромские мастера Художественно-производственной мастерской имени Феодора Стратилата. Оптимальным вариантом для Успенского собора выбран трехчастный высокий иконостас в стиле «Московского барокко». Прототипом послужили два иконостаса второй половины XVIII века: Никольского храма села Сидоровское Костромской области и Свято-Троицкого собора Ипатьевского монастыря города Костромы.
      Созданный иконостас с учётом изгибов имеет ширину 37 метров; высота центральной пятиярусной части, включая венчающее Распятие с предстоящими, составляет 18 метров. Две боковые придельные части высотой 12,5 метров, имеют по 4 яруса и трехчастное завершение. Царские врата главного алтаря имеют ширину 2,5 метра и высоту 4 метра, а боковые, соответственно, 1,4 метра на 3,25 метра.
На тело иконостаса, окрашенное в тёмно-синий кобальтовый  цвет сложного оттенка, установлено 78 прорезных колонн поддерживающих карнизы и  представляющих собой виноградную лозу. Все карнизы, подколонники, консоли и рамы икон украшены золочёной резьбой.
Иконы для соборного иконостаса были созданы в иконописной мастерской города Ярославля под руководством заслуженного художника Российской Федерации С.Н. Соколова. В качестве образца были выбраны работы иконописцев Оружейной Палаты Московского Кремля, работы ярославских и костромских иконописцев второй половины XVII – начала XVIII века. Все 170 икон написаны на липовых досках, скреплены дубовыми шпонками и по своему оформлению соответствуют резному узорочью иконостаса. Их отличает многоцветная праздничность колорита, ювелирная проработка деталей, сложная светотеневая моделировка «личного» письма; позолоченные детали одежд, архитектуры, крылья ангелов выполнены в технике чернения. Иконы местного ряда, середники всех приделов и Распятие написаны на золотом фоне; иконы третьего, четвертого и пятого ярусов – на голубом фоне с растяжками. Все шесть диаконских дверей изготовлены в полный рост. В главном приделе, на дверях, изображены Архангел Гавриил и Архистратиг Михаил. В левом приделе – архидиаконы Стефан и Лаврентий, а в правом – благоразумный разбойник и пророк Мелхиседек, царь Иерусалимский. Под местным чином находится импостный ряд, где на розовом фоне, с разделкой твореным золотом написаны тропари, кондаки и молитвы икон местного ряда.
      Следующим этапом по созданию законченного и целостного образа интерьера Успенского храма стало украшение его стен и сводов росписями, выполненными в соответствии с традициями православного иконографического канона. Главный храм Казахстана с октября 2013 по апрель 2014 года расписывала артель изографов из города Палех (Россия, Ивановская область) под руководством члена Союза художников России В.К. Курилова. Площадь расписанных стен и сводов собора составила более 6000 квадратных метров. 17 апреля 2014 года основные работы были закончены.

Успенский собор стал любимым храмом православных астанчан и объектом особого внимания гостей города. Его посещают главы государств и дипломатических миссий, министры, лидеры мировых религий и видные ученые.
      Главным гостем храма стал Президент Казахстана Н.А. Назарбаев. На праздничных мероприятиях в храме совершают служение иерархи Русской Православной и иных Поместных Церквей, присутствуют высокие государственные и общественные деятели Казахстана, России, стран ближнего и дальнего зарубежья.