Собор строился на средства титулярного советника Федора Левашова. Только возведение здания заняло 7 лет – с 1800 по 1807, освящение же главного престола состоялось лишь в 1815 году. Ранее были освящены приделы в честь Онуфрия Великого (1808) и в честь Феодосия Тотемского (1813). Первоначально строился как церковь, лишь в 1817 году она указом императора Александра I получила статус собора. Главной святыней храма была чудотворная икона Успения Божией Матери из упраздненного в 1774 году монастыря Княжая пустынь.
После Революции храм был закрыт, и церковное здание отдали под машинно-тракторную станцию. После войны разрушающийся собор забросили, его руинированная колокольня долгое время возвышалась в самом центре города. Возвращение собора РПЦ состоялось в 1988, однако реставрация затянулась на два десятилетия. Одним из эпизодов этой эпопеи стал визит в 2003 году в Кологрив местного уроженца В.В. Устинова, тогда еще генерального прокурора РФ. Он выделил на восстановление собора значительную сумму: про это событие рассказывают анекдот, что на вопрос, чем можно помочь собору, настоятель попросил 100 000, имея в виду рубли. Устинов же, видимо, не привыкший оперировать подобными суммами, не понял и прислал 100 000 долларов. На эти деньги было восстановлено штукатурное покрытие внутри и снаружи храма, отреставрирована колокольня, благоустроена прилегающая территория.
