Определением Священного Синода Русской Православной Церкви от 31 марта 1999 года Астана вместе с пригородными поселениями стала частью обширной Алма-Атинской епархии, которую тогда возглавлял архиепископ Алма-Атинский и Семипалатинский Алексий (Кутепов). Титул правящего архиерея был изменен на «Астанайский и Алма-Атинский».

Ко времени переноса столицы Казахстана в Астану в городе имелось два православных храма – Константино-Еленинский собор, построенный в 50-х годах XIX столетия, и церковь во имя благоверного великого князя Александра Невского, возведенная в 1980 году для монахинь обители в честь иконы Божией Матери «Взыскание погибших».

В воскресные и праздничные дни храмы не вмещали всех желающих совершить молитву. Православное население новой столицы насчитывает около 120 тысяч человек, поэтому строительство новых церквей стало острой необходимостью для нормальной духовной жизни верующих.

Инициативу строительства одобрил и поддержал Президент Н.А. Назарбаев. Акимат Астаны выделил участки земли для возведения в городе двух новых православных храмов. На участке по проспекту Тлендиева (Астраханская трасса) с 2000 года началось строительство Свято-Серафимовского приходского храма, а в микрорайоне № 6 по улице Жумабаева было запланировано создание величественного кафедрального собора в честь Успения Пресвятой Богородицы.

В январе 2006 году был заложен первый камень и состоялось освящение фундаментной плиты нового собора, на Пасху 2006 года состоялось первое богослужение.

В 2007 году для собора были отлиты и привезены колокола. В августе 2009 года митрополитом Мефодием было проведено освящение пяти куполов и крестов Успенского собора.

На торжественной церемонии присутствовали аким города Астаны И.Н. Тасмагамбетов и посол Российской Федерации в Казахстане М.Н. Бочарников.

17 января 2010 года городской собор был освящен патриархом Московским и всея Руси Кириллом.

Общая площадь Успенского собора достигает более 2 тысяч м?. Храм может вместить до четырех тысяч человек и является самым большим в Центральной Азии. Высота здания составляет 68 м. Высота внутри верхнего храма от пола до сводов – 32 метра, а от пола до верхней точки центрального купола – 44 метра.

Благодаря высоким оконным проемам интерьеры храма наполнены светом. Наружные своды покрыты кровельным железом, выкрашенным в голубой цвет, являющийся символом высочайшей чистоты и непорочности Пресвятой Богородицы. Храм венчают пять куполов – символизирующих Христа Спасителя и четырех апостолов-евангелистов. Главы покрыты металлическими «шашками-лемехами», вызолоченными нитридом титана. Золотой цвет в православной традиции символизирует Божественную благодать, красоту Горнего мира иного и великолепие Небесного Царства.

Собор имеет 3 придела: главный — в честь Успения Богородицы, правый — в честь святых Кирилла и Мефодия и левый — в честь Архистратига Божия Михаила и прочих небесных сил бесплотных. Нижний храм — в честь новомучеников и исповедников казахстанских. В верхнем и нижнем храме имеется по 2 исповедальни.

4 июня 2011 года на заседании Синода Митрополичьего округа Русской Православной Церкви в Республике Казахстан было принято решение о возведении в Нур-Султане при соборе здания Синода Православной Церкви Казахстана и духовно-культурного центра имени святых равноапостольных Кирилла и Мефодия. В духовно-культурном центре находятся: гостиница для паломников, воскресная школа, Астанайское православное молодежное движение и другое.

7 января 2012 года, в праздник Рождества Христова, Президент Казахстана Н.А. Назарбаев посетил Успенский кафедральный собор. После традиционного поздравления прихожан Глава государства ознакомился с эскизным проектом и осуществлением строительства Центра, одобрив начинание и поставив свою подпись на проектном документе.
Строительство не прекращалось ни днем, ни ночью, и к маю 2012 года большая часть работ была выполнена.

В соборе хранятся святыни: частица мощей святого апостола Андрея Первозванного, частицы мощей святых угодников Божиих из Киево-Печерской лавры (Ближние и Дальние пещеры), икона святого Александра Свирского с частицей его мощей, икона преподобной Марии Египетской из монастыря святого Герасима из Иордании, икона Богородицы «Казанская», подаренная патриархом Московским и всея Руси Кириллом.

Патриарх Московский и всея Руси Кирилл посещал собор дважды и подарил собору две иконы Богородицы, одна из которых — икона Богородицы Казанская.

Президент России Владимир Путин посещал Успенский собор Нур-Султана 15 октября 2015 года и подарил собору икону Покрова Пресвятой Богородицы.

Во дворе собора находится 3-этажный Духовно-культурный центр имени святых Кирилла и Мефодия. В духовно-культурном центре находятся: домовой храм, трапезная, кухня, концертный зал, воскресная школа для детей от 3 до 14 лет, церковно-исторический музей (работает в воскресенье с 11:00 до 13:00).
Перед Духовно-культурным центром установлен памятник святому Сергию Радонежскому.

Во дворе имеется колокольня высотой 75 метров с набором колоколов общим весом 20 тонн. 26 ноября 2016 года по благословению митрополита Астанайского и Казахстанского Александра на колокольню установлено устройство для воспроизведения различных видов звона — «электронный звонарь». Монтаж конструкции осуществлялся в течение двух месяцев. Она позволяет удаленно управлять колоколами с помощью компьютера, который способен воспроизводить десятки композиций.

Набор колоколов был отлит в городе Ярославле (Россия) на ООО «Италмас» — колокольном заводе Николая Шувалова. Самый большой колокол — «Успенский» — весит 5 тонн 200 килограмм; второй по величине колокол — «священномученик Мефодий» — 3 тонны 200 килограмм и третий по размерам — «преподобный Севастиан» — 1600 килограмм.

Колокола изготавливались на пожертвования православных верующих Казахстана. Желающие внести посильную лепту в создание колокольного набора смогли сделать это, приобретая в храмах Митрополичьего округа особый сертификат. Имена всех жертвователей внесены в синодик Успенского кафедрального собора для вечного поминовения.

Освящение колоколов для Успенского собора состоялось 16 декабря 2015 года. Его совершил Глава Православной Церкви Казахстана митрополит Астанайский и Казахстанский Александр.

При храме работает вещевой склад для малоимущих (вторник и четверг 14.00-17.00), в нижнем храме — иконная лавка.

Собор открыт каждый день с 8:00 до 19:00. Богослужения в храме совершаются ежедневно.

Территория собора благоустроена, высажены деревья и ограждена забором. Вход в собор оборудован пандусами.

Вечернее Богослужение начинается в 17:00 (воскресенье — в 16:00), начало утреннего Богослужения (Божественная Литургия) — в 8:40. В воскресенье и праздники Божественная Литургия — в 7:00 и 9:20.

Храм находится по адресу: г. Нур-Султан, 6 микрорайон, ул. Куйши Дина, дом 27; угол улицы Магжана Жумабаева, район ТЦ «Евразия-3», Мирас, район магазинов: «Встреча», «Мечта», «Гульжан», «Liner», «Милана».

Проезд автобусами № 9, 8, 14, 18, 19, 38, 40, 55, 58, 103 до остановок: «Магазин „Встреча“ (ТД Гульжан)», «6-й микрорайон», «Дом студентов Студенттер yйi» или «Школа-гимназия мектеп № 22».