Построен в 1484-89, при Иване III, на Соборной площади, псковскими мастерами на подклете (7 м) одноименного собора (1395, перестроен в 1416, сгорел в 1475) как домовый храм Великого князя, соединенный с его хоромами, а с 1508 со вновь выстроеном дворцом, переходами. Освящен 9.VIII.1489 митрополитом Геронтием. Пострадал при пожаре 1547, восстановлен в 1560—70-х. До XX в. настоятель собора был духовником царской семьи.

Четырехстолпный. Первоначально имел 3 главы. Окружался с трех сторон открытыми галереями-папертями на аркадах, над которыми вскоре выложили своды. В 1552—64, по повелению Ивана IV Грозного, по углам галерей (над ними) возвели 4 одноглавых придела (стены приделов на манер Архангельского собора обработаны филенками). Южное крыльцо сделано закрытым. В 1572 над собором поставили еще две западные главы, что предало ему вид девятиглавого. С папертей в собор ведут входы—порталы (юж. сохранил первоначальный вид, сев. и зап. декорированы итальянскими мастерами на рубеже XV— XVI вв.). Сев. и зап. порталы — белокаменные, резные, позолоченные; медные двери (XIII в.) расписаны в технике золотой наводки. В XIX в. к приделу галереи в ю.-в. части собора подвели с зап. небольшое помещение ризницы, а сев. и зап. галереи застеклили. Наружные стены имеют килевидные завершения и архитектурно-колончатые пояски.

Внутри собор небольшой (длина до иконостаса — 23 м, ширина — ок. 30 м, высота от пола до свода немногим более 10 м). Наличие в зап. части хор для царской семьи делает его еще более тесным. Своды в виде ступенчатых арок. Пол выложен яшмой, вывезенной Иваном IV Грозным из собора Ростова Великого.

В 1508 собор был расписан сыном Дионисия Феодосием с помощниками — мастерами Иосифо-Волоколамского монастыря (сохранились фрагменты). Основная часть стенописи — вторая пол. XVI в. В XVII и XIX вв. стенопись неоднократно поновлялась и записывалась. В ходе реставрационных работ 1947—61 установлено, что фрески лучше всего сохранились на хорах, столпах, в центральном алтаре и дьяконнике. Феодосию приписываются изображения Георгия Победоносца и Димитрия Солунского, композиции «Изведение Петра из темницы» и «Преполовение» — на ю.-з. столпе, «Чудо архангела Михаила на Хонех» — на с.-з. столпе, «Сорок мучеников севастийских» — на сев. стене. В фресках большое место отведено сюжетам из «Апокалипсиса». На стенах между ликами святых изображены древнегреческие философы: Аристотель, Анахарсис, Менандр, Птолемей, Фукидид, Зенон, Анаскарид, Плутарх, а также поэты древности, в т.ч. Гомер и Вергилий. Над каждым — имя, в руках хартии (рукописи) с изречениями из Священного Писания или из их сочинений. Сивиллы (легендарные прорицательницы, которым приписываются предсказания о Господе нашем Иисусе Христе) держат в руках свитки.

Преподобному Феофану Греку и художникам его мастерской приписывается основная часть икон деисусного чина: «Спас в силах», «Божия Матерь», «Иоанн Предтеча», «Архангел Гавриил», «Апостол Павел», «Василий Великий» и «Иоанн Златоуст», преподобному Андрею Рублеву — «Архангел Михаил» и «Апостол Петр». Иконы «Димитрий Солунский» и «Святой Георгий» — работа неизвестного русского мастера.

В иконах праздничного ряда первые семь праздников (кроме «Преполовения» работы псковских мастеров) — «Благовещение», «Рождество Христово», «Сретение», «Крещение», «Преображение», «Воскрешение Лазаря», «Вход Господень в Иерусалим» — связывают с Андреем Рублевым, остальные семь — «Тайная вечеря», «Распятие», «Положение во гроб», «Вознесение», «Успение», «Сошествие Святого Духа», «Сошествие во ад» — с Прохором из Городца. Четвертый ярус (пророческий) сохранился от иконостаса, созданного псковскими иконописцами после пожара 1547.

Погрудные изображения праотцов в пятом ярусе — XVI—XVII вв. и частично — XIX в.

Стоявшие в местном ряду иконостаса чудотворные иконы — «Донская икона Божией Матери» (1392, Феофан Грек) и «Всемилостивый Спас» (1337) — ныне находятся в Третьяковской галерее.

В октябре 1917 собор подвергся артиллерийскому обстрелу. Снарядом было разрушено знаменитое крыльцо Лоджетты (крытая галерея времен Ивана Грозного).

В начале 1918 собор закрыт. Святыни ризницы были реквизированы, передавались в музеи, продавались за границу. В 1930-е сломано Красное крыльцо для царских выходов (между собором и Грановитой палатой; восстановлено в 1990-х). После открытия в 1955 доступа в Кремль собор стал музеем. В 1970-е проведен наружный ремонт, вызолочены купола, в 1947—61 и 1980-х реставрировались фрески.

Возвращен для богослужений. По традиции на престольный праздник 7.IV (25.III), по окончании Литургии Святейший Патриарх на ступенях собора торжественно выпускает на свободу птиц.