Пятиглавый крестовокупольный храм в русском стиле с небольшой звонницей, примыкающей к храму с запада. Построен на городском Мироносицком кладбище на пожертвования горожан. Автор проекта — губернский инженер А. Стражинский. В 1934 году храм был закрыт и использовался как склад, церковное имущество было передано в Пензенский краеведческий музей. Вновь открыт в 1945 году. После этого стал именоваться кафедральным собором. Храм четырехпрестольный. Левый придел освящен во имя Алексея, митрополита Московского, правый — во имя святых Жен Мироносиц. Под Алексеевским приделом в 1970 году была устроена нижняя церковь Серафима Саровского для совершения заупокойных служб. В Успенском кафедральном соборе хранятся мощи Святителя Иннокентия (Пензенского).