В 1854 году настоятелем Свято-Троицкой церкви в Гельсингфорс был назначен Николай Попов, 24-летний священник, только что окончивший Петербургскую Духовную академию. Поскольку Троицкая церковь была небольшой и в большие праздники даже не вмещала всех верующих, молодой священник поднял вопрос о строительстве новой церкви. Он обратился за помощью к генерал-губернатору графу Ф. Ф. Бергу, который содействовал лютеранам и католикам в построении собственных церквей. Генерал-губернатор не промедлил, и первый документ об Успенском соборе датирован мартом 1857 — в нём поднят вопрос о необходимости нового обширного православного храма который наружным благообразным великолепием и большею вместительностью соответствовал бы… общему усердию религиозному. В апреле 1859 года граф Берг уже просил у обер-прокурора Синода разрешения пригласить в Гельсингфорс для этой цели академика архитектуры Алексея Максимовича Горностаева, знакомого графу, вероятно, по работам на Валааме. Проект, составленный С. И. Барановским, (профессором Гельсингфорского университета), ему не понравился.
Горностаев приехал в Гельсингфорс летом 1859 года. Он определил скалистый холм на острове Скатудден (Катаянокка) как место для будущего храма. В том же году архитектор составил чертежи, которые 12 января 1860 года были Высочайше утверждены Александром II. Обер-прокурор Синода граф А. П. Толстой сообщил пожелание Александра II освятить новый храм во имя Успения Пресвятой Богородицы с приделами во имя блг. кн. Александра Невского и свт. Николая Чудотворца, но храм в конечном итоге стал однопрестольным, так как места для приделов не хватило.
Осенью 1860 года с Горностаевым был заключен контракт. Начался сбор средств и пожертвований. На постройку Бергу удалось получить от Синода 15 тысяч рублей, к которым император Александр II добавил 20 тысяч рублей. К началу работ общенародный сбор принес 31 тысячу рублей, но газета «Северная почта» продолжала печатать о нём объявления. По Высочайшему повелению 25 тысяч рублей было отпущено из Капитула орденов, от московского купечества дано 20 тысяч. Цесаревич Александр в ознаменование бракосочетания с принцессой Дагмарой (Марией Феодоровной) прислал 2 000 руб. Постройка собора обошлась в 223 тысячи рублей, и эта сумма была собрана с помощью добровольных пожертвований.
Торжественная закладка храма состоялась 15 августа 1862 в присутствии и при участии великих князей Алексея Александровича и Николая Константиновича, совершавших плавание по Балтийскому морю. Руководил стройкой сам Горностаев. Однако 18 декабря 1862 года он скончался в возрасте 54 лет. Строительство продолжил архитектор И. А. Варнек (1819—1877), только что завершивший возведение собора в Свеаборге по чертежам К. А. Тона. В проект Горностаева он не внёс изменений, только звонницу заменил колокольней.
25 октября 1868 года состоялось освящение храма.
В 2006 году купола собора были заново позолочены.
Летом 2010 года Успенский собор дважды взламывали: в июне из собора была украдена одна из самых ценных икон — икона Богородицы «Козельщанская» и большая часть драгоценностей, полученных в дар от прихожан; вторая попытка взлома в августе не увенчалась успехом, а трое граждан Румынии, подозреваемых в преступлении, были задержаны. Икона была найдена и передана на реставрацию в Ново-Валаамский монастырь, а позднее возвращена на прежнее место.