В 2004 г. начались проектно-изыскательские работы по строительству в новой столице Казахстана кафедрального собора Казахстанского митрополичьего округа.

В январе 2006 г. были совершены закладка камня и освящение фундаментной плиты Успенского собора. Первое богослужение совершено на Пасху 2006 г.

К Пасхе 2009 г. закончено возведение стен и сводов собора, началась облицовка наружных стен белым мрамором; в августе этого же года митрополит Астанайский и Алма-Атинский Мефодий в присутствии посла Российской Федерации в Республике Казахстан В.Н. Бочарникова и акима Астаны И.Н. Тасмагамбетова совершил освящение пяти куполов и крестов собора.

17 января 2010 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил великое освящение главного престола в честь Успения Пресвятой Богородицы в верхнем храме собора. Боковые приделы верхнего храма посвящены святым равноапостольным Кириллу и Мефодию, учителям Словенским, и Архистратигу Михаилу и прочим Небесным Силам бесплотным. Престол нижнего храма посвящен Собору новомучеников и исповедников Казахстанских.

Общая площадь собора составляет более 2000 кв. м., вместимость — до 4000 человек, высота храма — 68 м. В настоящее время завершаются работы по монтажу мраморного пола, иконостаса и паникадил.

Настоятель и куратор строительства — благочинный Астанайского церковного округа архимандрит Серапион (Дунай).