Первое каменное здание Успенского собора было заложено 4 августа 1326 г. первым московским митрополитом святителем Петром и князем Иоанном Калитой. По данным раскопок, новый собор — первый каменный храм Москвы — был построен на месте существовавшего ранее деревянного храма. Толчком к строительству послужило обретение Москвой статуса первопрестольного города.

В конце XV в. великий князь Иван III, объединивший под властью Москвы все русские княжества, начал создание своей новой резиденции с перестройки Успенского собора. Храм разобран в 1472 г. до самого основания, при этом были обретены мощи свт. Петра. Псковские мастера Кривцов и Мышкин возвели новый собор, однако он рухнул. Тогда Иван III пригласил из Италии архитектора Аристотеля Фиораванти, под руководством которого и было построено (1475-79) здание, и поныне украшающее Московский Кремль. Фиораванти было поручено взять за образец Владимирский Успенский собор — тем самым подчеркивалась преемственность Москвы по отношению к одному из древних центров Святой Руси.

В августе 1479 г. митрополит Геронтий совершил освящение храма. Мощи святителя Петра, находившиеся во время строительства в церкви св. Иоанна Богослова, были перенесены в собор.

Успенский собор представляет собой шестистолпный, пятиглавый, пятиапсидный храм. Построен из белого камня в сочетании с кирпичом: из кирпича выложены своды, барабаны, восточная стена над алтарными апсидами, скрытые алтарной преградой восточные квадратные столпы; остальные — круглые — столпы также выполнены из кирпича, но облицованы белым камнем.

Первоначальные росписи собора были выполнены в период с 1481 по 1515 г. В росписи принимал участие иконописец Дионисий. В 1642-43 гг. собор был расписан заново группой из 150 художников во главе с царскими изографами Иваном и Борисом Паисеиными и Сидором Поспеевым, но также сохранились фрагменты первоначальных росписей, являющиеся древнейшим дошедшим до нас образцом фресковой живописи на территории Кремля. Иконостас создан в 1653 г. по заказу Патриарха Никона. Собрание икон XI-XVII вв. в Успенском соборе является одним из самых богатых в мире. Большинство их было написано в Москве для соборов XIV и XV вв., другие были привезены в Москву из древних городов в период собирания русских земель.

Древнейший памятник прикладного искусства в соборе — его южные двери (привезены в Москву из суздальского собора, относятся к началу XV в.); на них золотом по черному лаку написаны 20 изображений на библейские темы.

С 1326 г., когда в храме был погребен свт. Петр, и до 1700 г. собор служил усыпальницей Предстоятелей Русской Церкви — митрополитов и патриархов. Всего в соборе 19 гробниц, расположенных вдоль стен собора.

В 1547 г. здесь было впервые совершено венчание на царство Ивана IV. В здании собора проходил Земский Собор 1613 г., на котором царем был избран Михаил Федорович Романов. После перенесения столицы в Санкт-Петербург собор продолжал быть местом коронации всех российских императоров, начиная с Петра II.

Во время Отечественной войны 1812 г. Успенский собор был разграблен наполеоновскими войсками.

Собор получил незначительные повреждения при артобстреле Кремля в ноябре 1917 г. и в следующем году был полностью восстановлен. В 1918 г. здесь состоялось поставление в патриархи московского митрополита Тихона. В том же году Успенский собор был закрыт в связи с размещением в Кремле правительства РСФСР. Последняя служба здесь прошла на Пасху 1918 г.

В 1922 г. Успенский собор был превращен в музей. Благодаря постоянным реставрационным работам к середине 50-х годов ХХ в. практически все иконы и росписи были раскрыты из-под поздних записей, и с 1954 г. Успенский собор открывают для посетителей. Реставрационные работы продолжались, что потребовало временного закрытия собора, и окончательное завершение экспозиция получила в 1995 г.

Богослужения в соборе были возобновлены в 1990 г.