Собор был заложен 16 июля 1891 года в бывшей городской роще в центре Омска. Храм строился на пожертвования жителей Омска, военного и гражданского чиновничества Сибири и средства, выделенные Николаем II.
Автором архитектурного проекта стал Эрнест Францевич Виррих. Он взял за основу проект храма Спаса-на-Крови в Санкт-Петербурге, но омский храм стал не точной копией петербургского, а творческой переработкой, что в храмовом зодчестве явление обычное. Размеры храма и архитектура Успенского собора были во многом уникальны. В частности, при его строительстве использовались 30 видов кирпича разных цветов.
Площадь собора составляла 1518 метров, высота колокольни до подкрёстного яблока – 44 метра, высота креста – 3 метра, диаметр купола – 15 метров. Пятиглавый собор с мощным центральным куполом и высокой шатровой колокольней выглядел торжественно и монументально
Собор, сооружённый в стиле русского зодчества ХVII века, поражал удивительной логичностью и гармоничным сочетанием пропорций и стилей. Э. Ф. Вирриху удалось соединить в своём проекте официальный русско-византийский и народный стили. В частности, соотношение огромной (луковичной) главы и маленьких главок восходит к архитектуре Византии, а от русского стиля здесь – многочисленные кокошнички, шатровые крыльца, дыньки, обрамление арочных проёмов наличниками и т. д.