12 августа 1497 г. собор освятили, но работы продолжались: изнутри храм расписывали мастера артели Дионисия при его непосредственном участии (работы были закончены к 1513 - 1515 г.г.). Пятиглавием и аркатурно-колончатым поясом, перспективным порталом и закомарами собор напоминает свой прототип - Успенский собор 12 в. во Владимире, - но отличается иной планировкой и принципами возведения. В грунт вбивали дубовые сваи, между наружными и внутренними стенами делали кирпичную кладку, а внутренние столпы ставили не крестообразными, а круглыми и четырехугольными. Аркатурно-колончатый фриз, расположенный чуть ниже середины собора и потому должный утяжелять строение, не создавал эффекта массивности - Фиораванти удалось компенсировать его суровую тяжеловесность высокими щелевидными окнами на фасадах и барабанах. В основу композиции фасада зодчий заложил пропорции золотого сечения.
Фрески стерлись, и в 1642 - 1643 г.г. из Троице-Сергиевой лавры пригласили мастеров расписать собор заново. В 18 веке установили пятиярусный иконостас (ок. 16 м), в нижнем ряду которого помещались иконы-знамена войск и иконы-покровительницы русских городов (Костромы, Смоленска, Твери др.).
Четыре века собор был главным храмом Руси, где венчали на царство великих князей (позже царей и императоров до Николая Второго включительно), зачитывали государственные акты, на церковных соборах избирали митрополитов (затем патриархов). Собор служил им усыпальницей вплоть до учреждения Синода в 1721 г.
В юго-восточной части храма высится остроконечный восьмигранный шатер - "царское место" Ивана Четвертого Грозного ("Мономахов трон") - уникальное произведение московских резчиков 16 века.
Во время Октябрьской революции Кремль, занятый юнкерами, подвергся бомбардировке: главный купол собора пробил снаряд, алтарная часть была испещрена выбоинами от пуль и осколков снарядов.
Последнюю Божественную литургию в соборе совершили на Пасху 1918 г. С переездом в 1918 г. правительства РСФСР из Петрограда в Москву Кремль для посещения закрыли - лишь в июле 1955 г. часть кремлевских храмовых зданий (в том числе Успенский собор) стала музеем.
С 1990 г. богослужения в соборе совершаются в дни престольного и великих праздников, а также в дни прославления московских святителей.
