Собор Успения Пресвятой Богородицы возведён в память о героической обороне Смоленска 1609—1611 годов на месте одноимённого собора XII века. Первоначальный собор в честь Успения Пресвятой Богородицы был основан Владимиром Мономахом в 1101 году. Получив в своё владение смоленскую и суздальскую земли, Владимир Мономах одновременно начал строительство соборов Успения Пресвятой Богородицы в Смоленске и Суздале. Точно так же, как собор Успения Пресвятой Богородицы в Суздале положил начало каменному строительству на северо-востоке Руси, каменный собор, заложенный Владимиром Мономахом в Смоленске, почти полвека оставался единственным каменным храмом города, чем было ознаменовано начало монументального зодчества Смоленского княжества. В Успенский собор Смоленска Владимир Мономах перевёз из Чернигова икону Богородицы Одигитрии, доставшуюся ему по наследству от его матери. В связи с этим икона получила наименование Смоленской иконы Божией Матери. Существует предположение, что эти соборы были построены зодчими из другого княжества Владимира Мономаха — Переяславля, где ранее епископом Ефремом уже было осуществлено строительство целого ряда каменных монументальных построек. В 1611 году после почти двулетней обороны Смоленска от войск Речи Посполитой последние его защитники взорвали запасы взрывчатки, хранившейся в погребах вблизи соборного холма, в результате чего рухнула и часть собора, похоронив с собой много женщин и детей, которых уже убивали ворвавшиеся захватчики. Поляки восстановили здание собора, и в нём разместилась кафедра архиепископа Смоленского Русской униатской церкви. После освобождения Смоленска старое здание было разобрано в 1674—1675 годах. В 1677 году начато сооружение нового здания собора под наблюдением зодчего Алексея Королькова. Архитектор увеличил его размеры и допустил отступления от проекта, в результате высокие апсиды отошли от основного объёма.
Приостановленные работы возобновились лишь в 1712 году. Наконец, в 1740 году архитектор Готфрид Шедель завершил строительство храма, увенчанного семью куполами синего цвета с золотыми звездами. В 1761 году обрушились центральная и западные главы собора. В 1767—1772 годах архитектор П. Обухов перестроил его верх, оставив традиционное пятиглавие. Здание собора во время наполеоновского нашествия не пострадало. Поражённый величием собора, Наполеон приказал поставить стражу для его охраны. Во время нашествия исчез хранившийся в храме железный шлем, принятый французами за золотой.
После вступления в Смоленск немецких войск генерал-полковник вермахта Гейнц Гудериан выкроил время, чтобы ознакомиться со Свято-Успенским собором, который он нашёл невредимым. В центральной и левой частях здания размещался антирелигиозный музей. Правая половина была отведена для богослужений. Генерал вспоминает:
…Серебряный алтарь и подсвечники, видимо, пытались спрятать, но не успели сделать до нашего прихода в город. Во всяком случае, все эти чрезвычайно ценные вещи лежали кучей в центре собора. Я приказал найти кого-нибудь из русских, на кого можно было бы возложить ответственность за сохранение этих ценностей. Нашли церковного сторожа-старика с длинной белой бородой, которому я передал через переводчика, чтобы он принял под свою ответственность ценности и убрал их на место. Ценнейшие позолоченные резные рамки иконостаса были в полной сохранности. Что стало потом с собором, я не знаю.
Во время оккупации из церкви исчезло копьё святого Меркурия Кесарийского.