История Успенской церкви в Касимове начинается в конце XVII века. О ней нет упоминаний в документах 1676 года, в которых перечислялись многие местные храмы, зато имеется другая запись, датированная 1700 годом, в которой идет речь о священнике Успенской церкви. Поэтому можно сделать вывод, что этот храм был построен до 1700 года.
Согласно записи 1738 года, церковь была освящена в честь Успения Божией матери не сразу. Поначалу она именовалась храмом Трех Святителей. Здесь проходили службы только в летнее время, так как храм был очень холодным. Зимой на богослужения прихожане собирались в соседнем соборе Богородицы.
В XVIII веке в Касимове, застроенном преимущественно деревянными зданиями, нередко случались пожары. В 1753 году оба храма сгорели дотла. Площадку, на которой стояла Успенская церковь, тут же заняли под деревянный храм Рождества Христова. Однако горожане желали видеть в своем городе и Успенский храм, разрешение на восстановление которого вскоре было получено.
Новая каменная церковь, более просторная и теплая, чем предыдущая, была готова в 1775 году. В следующем десятилетии ее расширили за счет строительства барочной колокольни и трапезной. Первый ремонт состоялся в храме в 1810 году, когда буря повредила кровлю. В первой половине XIX века церковь получила новый колокол и фрески. В начале XX века храм был немного расширен, строительными работами руководил зодчий Цеханский.
С 30-х годов прошлого века церковь использовалась не по назначению: сначала здесь оборудовали библиотеку, которую впоследствии преобразовали под склад. Богослужения здесь возобновились в 1995 году.