С 1878 года в Омске активно прорабатывалась идея о расширении действующих церквей: крепостного собора во имя Воскресения Христова, Войсковой Николаевской церкви. Однако победило мнение о необходимости сооружения нового собора. 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.

В 1933 году с собора были сняты колокола и переплавлены на нужды индустриализации страны. В 1934 году вся церковная утварь была передана в созданный Музей атеизма и впоследствии утеряна. Вскоре омское партийное руководство решает перестроить собор в оперный театр. Создаётся комиссия по обследованию акустики собора под руководством А. Лебедева. Акустика признана неудовлетворительной. 17 февраля 1935 года по предложению начальника Омского НКВД Салыня на заседании Президиума Омского областного исполнительного комитета Советов РК и КД было принято решение о сносе здания. В том же году храм был взорван.

16 июля 2005 года при раскопках фундамента Успенского Собора в Омске археологи обнаружили захоронение православного архиерея. В гробнице, которая обнаружена в тайной подземной комнате под притвором Николая Чудотворца, были найдены икона, кусочки ткани, останки тела и другие находки, свидетельствующие о том, что это захоронение архиепископа Сильвестра. Позже принадлежность мощей архиепископу Омскому и Павлодарскому Сильвестру подтвердили результаты экспертизы.

14 октября 2005 состоялась церемония установки закладного камня в основание Успенского кафедрального собора, символизирующая начало строительства храма. Во время службы митрополит Омский и Тарский Феодосий (Процюк) поместил в закладной камень ковчежец с мощами священномученика Сильвестра (Ольшевского).

14 января 2006 года завершено устройство свайного фундамента, началось возведение кирпичных стен. 27 июля того же года освящены тринадцать колоколов весом 5,5 тонны.

6 января 2007 года, в канун Рождества Христова, впервые эти колокола зазвучали на новой колокольне. 30 марта был поднят главный купол собора весом 15 тонн. 16 апреля на нем был установлен крест. 31 мая на строительство привезли керамические иконы, которые стали украшением внешних стен храма. 2 июля начался монтаж иконостаса. 15 июля 2007 года состоялось освящение воссозданного собора.