Современное здание собора построено в 1672-1682 зодчим Мелетием Алексеевым. Храм выполнен из кирпича, в нижней части стен использовался белый камень (известняк) предыдущего собора. Прототипом выступил Спасо-Преображенский собор Нижнего Новгорода (1647-1652, в 1929 году разрушен).
Конструкция храма четырёхстолпная крестовокупольная с пятью главами, традиционна для русских церквей. Однако новые веяния, характерные для XVII века, не миновали собор стороной. Фасады расчленены на два яруса карнизом, закомары отсутствуют, лопатки на боковых фасадах не соответствуют расположению столпов и внутреннему членению храма. Внешний облик храма строгий, монументальный, наружное убранство бедно, что не характерно для того времени. Можно отметить лишь три пышных резных типичных для XVII века перспективных портала, обрамление окон и обработку барабанов. До пожара 1739 года более сложной, «о четырнадцати фронтонах», была и крыша собора, позже заменённая на обычную четырёхскатную. В соборе сохранилась роспись 1804 года, резной пятиярусный иконостас в стиле барокко 1772 года.
Из истории:
Первое, разобранное в 1672, здание Успенского собора было заложено в 1379 году после победы дружины московского князя Дмитрия Ивановича над татарами при реке Воже. Перед Куликовской битвой, в 1380 году, его старались закончить столь спешно, что по прибытии Дмитрия с войсками в Коломну, верхняя часть храма обвалилась. Тем не менее, именно в новом соборе князь молился перед битвой. Восстановлен храм был в 1382 году, роспись окончена к 1392, возможно при участии Феофана Грека. С военной историей Руси была связана судьба собора и в дальнейшем. Собираясь в свой третий (последний и победоносный) поход на Казань, Иван IV в июне 1552 года с армией прибыл в Коломну. В это время крымские татары, выступавшие союзником Казанского ханства, подошли к Туле. 23 июня 1552 коломенский епископ Феодосий II благословил войско на сражение с крымскими татарами, а 3 июля - на войну против Казани.
В самом соборе в те годы хранилась икона Донской Божьей Матери (ныне в Третьяковской галерее). Предание гласит, что её в 1380 году принесли с собой на Куликово поле некие донские казаки (легенда более поздняя, существование казачества на Дону в XIV веке маловероятно). Поднятая над православным воинством как хоругвь, она способствовала победе и была подарена Дмитрию Донскому. В действительности, скорее всего икона была написана в 1380-90-х годах по заказу супруги Дмитрия Евдокии для Успенского собора Коломны на молитвенную память о погибших. Автором её был Феофан Грек или кто-то из его учеников и последователей. Перед этой иконой молился в 1552 году Иван IV, и победа под Казанью способствовала началу общегосударственного почитания образа. Он был перенесён в Благовещенский собор Московского кремля, а в Успенском соборе оставлен список с иконы. Позже не раз с молитвами, обращёнными к Донской Божьей Матери, связывали победу русского оружия над врагом. Так было 1591, после чего на месте походной церкви, где царь Фёдор Иванович возносил свои молитвы, был основан Донской монастырь; в 1646 году; во время Чигиринских походов (1677–1678) и взятия Азова (1696).
Сохранилось лишь два описания собора, существовавшего до 1672 года. Первое содержится в Писцовой книге 1577-78 годов, достаточно формально и не затрагивает архитектуры храма. Более подробно облик собора описал в 1654-1656 архидиакон Павел Алеппский, сопровождавший антиохийского патриарха Макария: «Четвертая церковь, именно соборная, есть великая церковь, кафедра епископа. Она весьма величественна и высока с трех сторон, соответственно ее трем дверям. Она вся из тесаного камня, приподнята на значительную высоту и кругом имеет кайму скульптурной работы во всю ширину ее стен. Косяки дверей и окон походят на шлифованные колонны – работа редкостная, так что косяки кажутся изящными, как тонкие колонны. Церковь имеет три высоких купола, снизу приподнятых. Верх большого купола покрыт кругом красивыми, четырехугольными, резными из досок фигурами в виде крестов величиною в ладонь. На куполах позолоченные кресты. Большой купол находится над хоросом, остальные два – над обоими алтарями, ибо церковь имеет три алтаря как обыкновенно все их церкви <...> Крыша как этой церкви, так и всех вышеупомянутых церквей походит на кедровую шишку или на артишок; она ни плоская, ни горбообразная, но с каждой из четырех стен церкви есть, нечто вроде трех арок, над которыми другие, поменьше, потом еще меньше — кругом купола — очень красивое устройство».
Уточнить описание Павла Алеппского пытались археологи. Один из первых исследователей храма А. И. Некрасов в 1920-е годы полагал, что новый собор в XVI веке построен на фундаменте старого. Проведя раскопки, Н.Н. Воронин отверг это предположение и установил, что собор, существовавший до 1672 года, был меньше нового. Учёный, однако, посчитал его шестистолпным, единственным в Московском княжестве XIV века. Позже первоначальный собор признали всё-таки четырёхстолпным. Неоднозначно воспринимаются упоминания Павла Алеппского о «высоте» и «приподнятости» церкви. Обычно это расценивается как указание на наличие подклета и обходных галерей-гульбищ (как, например, в соборе Покровского монастыря в Суздале). С другой стороны, Б.Л. Альтшуллер указывает, что фундаментов таких галерей не найдено и, скорее всего, к каждому из входов в собор вела отдельная лестница.
Также Б.Л. Альтшуллер, проведя в 1969-1970 годах новые раскопки и обнаружив многочисленные вторично использованные фрагменты, развил гипотезу, что построенный при Дмитрии Донском собор был капитально, с сохранением лишь фундамента, перестроен в начале XVI века, одновременно с сооружением кирпичного кремля. Однако работавший месте с Альтшуллером М.Х. Алешковский эту гипотезу не принял, а все исследованные фрагменты отнёс к XIV веку. М.А. Ильин обратил внимание, что расположение иконостаса собора в описание Павла Алеппского типично именно для XIV века, то есть всё это время сохранялось неизменным. В любом случае без многочисленных более или менее масштабных поновлений и переделок в жизни храма не обошлось. Предполагается также и существование в Коломне на этом же месте каменной церкви более древней, чем заложенная в 1379 году.
В 1672 году по воле архиепископа Коломенского и Каширского Иосифа здание собора было полностью разобрано, а на его месте к 1682 зодчий Мелетий Алексеев со товарищи возвели новое. В XIX веке этот собор был несколько перестроен: в 1802 на грушевидную изменена форма глав, а в 1887-1894 убрана часть и без того немногочисленных украшений фасадов и барабанов. В 1958-1962 при реставрации был восстановлен внешний вид собора XVIII века.
В 1920 году коломенским епископом стал Феодосий (в миру Иван Фёдорович Ганицкий). Служение его пришлось на сложное время. Уже в 1921 году Феодосия арестовали за поминание члена царской семьи цесаревича Николая Александровича (1843-1865) во время крестного хода. Вскоре его выпустили, но в 1922 вновь арестовали в связи с делом об изъятии церковных ценностей. Выйдя из-под стражи в 1924, Феодосий вернулся в Коломну и продолжал активную религиозную деятельность, завершая каждую проповедь словами: «Я кончил, и надеюсь, что всякий из вас засвидетельствует, что в моей проповеди нет ничего политического». Тем не менее, в декабре 1929 года он в третий раз был арестован, обвинён в «контрреволюционной агитации» и сослан на север сроком на 5 лет. В 1933 после пересмотра дела его освободили, но запретили возвращаться в Коломну и вести службу. Феодосий был причислен к лику святых Русской православной церкви в 2006 году.
Вместе с арестом коломенского епископа в 1929 был закрыт и подвергнут разорению кафедральный собор. Религиозная жизнь здесь начала возобновляться в 1989 году. К 1999 Успенский собор был отреставрирован и 29 августа его освятил Патриарх Алексий II.
московского князя Дмитрия Ивановича над татарами при реке Воже. Перед Куликовской битвой, в 1380 году, его старались закончить столь спешно, что по прибытии Дмитрия с войсками в Коломну, верхняя часть храма обвалилась. Тем не менее, именно в новом соборе князь молился перед битвой. Восстановлен храм был в 1382 году, роспись окончена к 1392, возможно при участии Феофана Грека. С военной историей Руси была связана судьба собора и в дальнейшем. Собираясь в свой третий (последний и победоносный) поход на Казань, Иван IV в июне 1552 года с армией прибыл в Коломну. В это время крымские татары, выступавшие союзником Казанского ханства, подошли к Туле. 23 июня 1552 коломенский епископ Феодосий II благословил войско на сражение с крымскими татарами, а 3 июля - на войну против Казани.
Уточнить описание Павла Алеппского пытались археологи. Один из первых исследователей храма А. И. Некрасов в 1920-е годы полагал, что новый собор в XVI веке построен на фундаменте старого. Проведя раскопки, Н.Н. Воронин отверг это предположение и установил, что собор, существовавший до 1672 года, был меньше нового. Учёный, однако, посчитал его шестистолпным, единственным в Московском княжестве XIV века. Позже первоначальный собор признали всё-таки четырёхстолпным. Неоднозначно воспринимаются упоминания Павла Алеппского о «высоте» и «приподнятости» церкви. Обычно это расценивается как указание на наличие подклета и обходных галерей-гульбищ (как, например, в соборе Покровского монастыря в Суздале). С другой стороны, Б.Л. Альтшуллер указывает, что фундаментов таких галерей не найдено и, скорее всего, к каждому из входов в собор вела отдельная лестница.