В конце XIX века было принято решение на средства, собранные для расширения Воскресенского собора в Омске, построить храм в центре города, на месте бывшей городской рощи. Первоначально предполагалось, что это будет храм Вознесения, но в 1895 году, после создания в Омске православной епархии, было решено назвать собор Успенским кафедральным.
Архитектор Э. Виррих взял за основу проект Санкт-Петербургского храма Спаса на Крови 1894 года, выполненный А. Парландом.При этом омский храм стал не копией, а переработкой архитектурного решения, что в храмовом зодчестве было обычным явлением.
Строительство было начато 16 июля 1891 году. Первый камень в основание собора заложил цесаревич Николай Александрович, будущий российский император Николай II.
Первоначально руководил проектом инженер К. А. Лешевич. После его отъезда, с 14 октября 1897 года руководство принимает областной инженер А. С. Эйнарович. В реализации проекта также принимали участие архитекторы М. И. Шухман и Н. Е. Вараксин.
Храм строится на территории бывшей городской рощи, между улицами Тарской, Казнаковской и Александровской.