Градежът е оценен на 300 - 400 хиляди франка. Събраните от доброволни дарения 15000 франка са бързо изразходени, затова била разиграна и лотария от 150000 билета по 2 лева. Варненската община станала гарант на отпуснатите от правителството 100000 лева.
На 22 август 1880 година, след тържествен молебен, отслужен от митрополит Симеон, в присъствието на много българи и арменци, княз Александър I Български полага основния камък на съборната църква.
Строителството започва веднага и продължава шест години.За строежа са използвани предимно материали от Варненско: запазени дялани камъни от разрушената крепостна стена на града; за фасадата е доставен материал от района на селата Саръгьол и Еникьой; вътрешните колони са от твърд камък от местността Ташлъ тепе; външните колони под прозорците са от русенски камък; сводовете са от варовит бигор. Медните листове за покрива са доставени от Англия от Величко Христов. От Англия пристигат и две подемни машини за вдигане на каменни блокове.
В 1885 година храмът е издигнат. През септември е завършен покривът и на 30 август 1886 година е отслужена първата литургия.
Църквата е с размери 35 х 35 m. В архитектурно отношение е трикорабна базилика, като главният олтар е посветен на светото Успение Богородично, северният - на Свети Александър Невски, а южният на Свети Николай.
В 1941 - 1943 година е доизградена камбанарията висока 38 метра и куполите, направено е парното и е подменена покривната конструкция. Така църквата става втора по височина в страната след катедралния патриаршески храм "Свети Александър Невски" в София.