Первые документальные данные о существовании православной церкви Пресвятой Богородицы на Лысой (Пречистенской) горе, в месте слияния Витьбы и Западной Двины, относятся к 1406 году. А уже к началу XV века появилась новоотстроенная церковь Успения Пресвятой Богородицы, и доминирующая высота в городе получила название Успенской горы. К тому времени церковь уже была одета камнем.

По приговору польского суда в связи с убийством в 1623 году униатского епископа Иосафата Кунцевича Успенскую церковь разобрали. Через несколько лет на собранные деньги витебляне восстанавливают деревянный храм, но в 1629 году он сгорел. В 1636 году сооружается новый Успенский храм, однако, через полвека здание обветшало.

В 1743 году было заложено кирпичное здание храма и монастыря. Автором проекта был итальянский зодчий Иосиф Фонтана. Достраивался храм после раздела Польши усилиями русского православного генерал-губернатора Чернышева и гражданского губернатора Кречетова и был завершен в 1777 году.

В 1799 году Успенский собор по приказу Павла I был передан в ведение православных. 30 августа 1799 года собор был освящен белорусским епископом Анастасием. В 1804 году на соборе был установлен купол. В 1839 году в храме было совершено торжественное богослужение по поводу возвращения униатов Белоруссии и Литвы в Православие. В 1864 году в одной из башен собора была устроена часовня во имя преподобной Евфросинии Полоцкой.

Постановлением Совнаркома Белорусской ССР от 5 июля 1926 года Успенский собор был объявлен государственной собственностью республики, что не помешало в сентябре 1936 года взорвать один из красивейших храмов Белой Руси, духовную святыню Витебска.

В 1949 году на месте собора был построен цех завода заточных станков. В 1980-х годах здание было заброшено, а летом 1998 года снесено.

26 сентября 1998 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II заложил капсулу с памятной грамотой и освятил закладной камень в основание возрождаемого собора. Строительные работы начались в июне 2000 года.

4 мая 2003 года на месте строящегося храма была совершена первая после многих десятилетий Божественная литургия.

14 октября 2003 года митрополит Минский и Слуцкий Филарет совершил молебен с закладкой камня в основание нижнего храма Свято-Успенского собора в честь Преображения Господня.

28 августа 2005 года, в праздник Успения Пресвятой Богородицы, Патриарший экзарх всея Беларуси совершил Божественную литургию в нижнем храме строящегося собора.

К лету 2006 года закончен фундамент строящегося храма и возведены стены на уровне первого этажа. К концу 2007 года возведены стены на уровне второго этажа, установлены леса для заливки центрального нефа и купола, возведены колокольни. 15 июля 2008 года состоялось освящение колоколов, а 23 сентября 2008 года — воздвижение куполов и крестов на колокольни собора. В конце декабря 2008 года воздвигнут крест на главный купол собора.