При Петре І, как видно из планов и документов, соборной церковью была Успенская деревянная, существовавшая до половины XVIII столетия, почти на том же мест, где ныне стоить собор. Постройка его началась в 1748 г. штукатуром (архитектором) Стефаном Стабанским, занимавшимся постройками в Новой Сербии, управляемой генерал-майором Иваном Хорватом, заключившим 8 ноября 1748 г. о постройке договор с полковником Полтавским Андреем Горленком, обозным Руновским, полковым писарем Бачинским, городовым атаманом Волховским, ктиторами: Максименком, Тарентенком, Белушенком и Кирилловым за 3000 руб. и разных харчей.
Ход дела по постройке обнаружил отсутствие рвения в строителях, так что, не смотря на заготовление значительного количества материала и пожертвованный гражданами капитал, хотя в 1751 г. и началась работа поставкою “мура до окон”, в котором, по всей вероятности, была совершена и закладка собора, но, за “невистарченьем контрактодавцами потребных материалов”, приостановилась до 1753 г. Затем, после разных несогласий между ктиторами, церковь едва окончательно отстроена только в 1770 году.

Стоимость всей постройки, по неимению точных сведений, трудно определить, но, судя по размерам храма в длину (15 саж.), ширину (8 саж.) и довольно значительную высоту, а также по количеству употребленных материалов и продолжительности самой постройки, она, надо полагать, была очень велика, не смотря даже на баснословную в то время дешевизну строительного материала, жизненных припасов и задельной платы.
Из сохранившейся, между прочими бумагами, расходной тетради, с 1754 по 1767 г. включительно, видно, что за это время израсходовано на постройку собора 8637 р. 25 1/2 коп. Но здесь от начала и до окончания постройки недостает около 10 лет, в течение которых расход неизвестен.

Главными строителями соборной церкви были: Полтавский полковник Андрей Горленко, полковой обозный Андрей Руновский, полковой судья Григорий Сахновский и бунчуковый товарищ Дмитрий Белушенко (он же Белуха).
До построения нынешнего храма существовала в трех саженях от него, на том же погосте, деревянная церковь тоже во имя Успения Пресвятой Богородицы, бывшая также Полтавским городским собором, построенная, как можно с достоверностью полагать, в XVII столетии, но в каком году — неизвестно. Церковь эта в 1776 г. продана на снос в с. Ивашки, Полтавского уезда (в 12 вер. от Полтавы), куда была перевезена в июне того же года и употреблена там, главным образом, на постройку новой церкви.
В 12 саж., к западу, от собора построена каменная колокольня. Постройка ее начата была на средства прихожан в 1774 году. Но средств у прихожан на дальнейшее сооружение капитального здания недоставало, а потому, по их прошению, выдана была, с разрешения архиепископа Славянского Никифора Феотоки, из духовной консистории в 1783 году просительная книга, которая, как надо полагать, также мало помогла делу, особенно с выбытием в 1785 г. из Полтавы главного деятеля по постройке собора и колокольни протопопа Иакима Яновского, и колокольня эта, благодаря усердию и пожертвованиям коллежских асессоров Александра Яншина и Ивана Пономарева, была окончена постройкой только в 1801 году.

Стоимость постройки колокольни, к сожалению, совсем неизвестна, так как в соборе по этому предмету не сохранилось никаких записей.
Соборная колокольня каменная о четырех ярусах, заканчивающаяся шпилем. Во втором ярусе находится большой колокол с вылитыми по сторонам его изображениями — успения Божьей Матери, св. апостолов Петра и Павла и святителя Николая. Внизу находится следующая надпись славянскими буквами: “Во славу святыя единосущныя и нераздельныя Троицы сделан сей колокол к соборной Полтавской церкви Успения Пресвятыя Богородицы с меди, даровано его сиятельством князем Василием Михайловичем Долгоруковым; весу 350 пудов; року 1780, генваря 25, в городе Полтаве”.
Первоначально собор был устроен о трех главах, а затем две главы надстроены над алтарной частью около 1780 года.
Со времени постройки собор был градским до 1847 года, а в этом году, с переводом Полтавской архиерейской кафедры из г. Переяслава в Полтаву, обращен в кафедральный.

Престолов в нем было пять. Главный во имя Успения Пресвятой Богородицы. В правом приделе главного алтаря — во имя св. апостолов Петра и Павла; в левом — во имя св. пророка Илии; устроены и освящены 17 сентября 1774 года. На хорах — с правой стороны во имя св. архистратига Михаила и с левой — во имя св. великомученицы Варвары; устроены в 1776 г. и освящены: первый 30 декабря, второй 10 июня. В 1893 г., в виду тесноты алтаря, придельный престол во имя св. пророка Илии был разобран. На хорах престолы, по ветхости, также разобраны в 1869 году.

Кроме поименованных престолов имеется еще престол в церкви, устроенной направо от входа в собор в первом ярусе колокольни во имя обретения главы св. Иоанна Предтечи; она теплая, но тесная. Церковь эта в 1897 г. была возобновлена на средства соборного старосты почетного гражданина В. П. Таранушенка и освящена епископом Иларионом 24 августа того же года. В ней доныне сохранился св. антиминс, по желтому атласу, который освящен и выдан 27 февраля 1787 года архиепископом Славянским и Херсонским Амвросием Серебренниковым, ныне нетленно почивающим в Полтавском Крестовоздвиженском монастыре.

Главный иконостас соборной церкви, до устройства нынешнего, был в четыре яруса, очень хорошей работы, с разными украшениями во французском стиле. Первоначально был написан не совсем удачно и в исправлении его принимал потом деятельное участие покоритель Крыма князь Василий Михайлович Долгорукий, в промежуток времени между 1770 и 1786 г.г., что вызвало признательную память современников: в тумбе иконостаса, под местными иконами Спасителя и Богоматери, были изображены гербы князя Долгорукого со следующими надписями:

I.
“Герб сей предводителя войск российских
Князя Долгорукого в областях крымских,
Воздвигшего трофей, для России славный,
Кой именем Василий Михайлович званный”.
II.
“Преславный герб героя, лаврами венчанна,
Князя Долгорукого, в войске и в мире славна,
Кой скипетру российскому Крым покорил
И россам путь на Черном море тем открыл”.
Теперь их нет, — они проданы вместе со старым иконостасом.

Стоимость этого иконостаса и придельных в точности не известна. Известно только, что г. Осташкова (Тверской губ.) золотарь Карабанов взял по контракту за позолоту главного иконостаса 1000 рублей, да на харчи 100 руб., а г. Тулы купец Иконников за позолоту Петропавловского иконостаса — 400 руб., кроме харчей, квартиры, прислуги, дров и свечей. Иконостасы эти в 1856/57 году были вновь возобновлены позолотой и перекраской поля без изменения живописи.
В 1893 году, взамен прежнего иконостаса, заботами Преосвященного Илариона сооружен и освящен 23 декабря новый деревянный, одноярусный, почти сплошь украшенный золоченой резьбою, с аркой посредине. Сооружен он на средства вдовы генерал-майора Ольги Ивановны Леоновой и обошелся в 12000 рублей. Старый же иконостас с иконами продан в том же году в с. Безсалы, Лохвицкого у., за 1200 рублей, а шаты с наместных икон, в коих оказалось серебра 3 п. 5 фун., оставлены в ризнице собора. Тогда же значительно был обновлен внутри и снаружи сам собор.

На простенках церкви были две иконы: св. пророка Елисея и святителя Мефодия, празднуемых церковью 14 июня, и св. апостолов Петра и Павла. Под первой изображение атаки крепости, под начальством князя Долгорукого, в 1771 году с 13 на 14 июня; под второй — победа над турками при Кафе и занятие этого города князем Долгоруким в 1771 году, 29 июня. Под каждой из этих икон резные из дерева гербы князей Долгоруких. Где теперь эти иконы — неизвестно.
В ризнице есть современный портрет князя Долгорукого, поясной, овальной формы, хорошо сохранившийся, писанный на холсте в натуральную величину, с надписью: “Князь Василий Михайлович Долгоруков, предводитель российской армии, генерал-аншеф, всех трех российских орденов кавалер”.

Замечательны также в особо устроенных киотах местно-чтимые иконы Божьей Матери: 1) “Всех скорбящих радости”, в серебряной ризе с эмалью и простыми камнями; принесена в дар собору в 1888 году бывшим ключарем священником Петром Диатоловичем († 3 марта 1900 г.); стоимость ее со всеми украшениями 842 руб. Перед этой иконой по субботам совершается торжественное акафистное пение. День празднования этой иконы 24 октября. 2) “Утоли моя печали”, — когда и кем пожертвована — неизвестно, но уже с давних пор находится в соборе и несколько раз была реставрирована; в 1900 г. украшена серебряной вызолоченной ризой в простых камнях; стоимость всех украшений 1461 руб. 25 к., кроме серебра, взятого из негодных к употребление церковных сосудов. День празднования этой иконы — 25 января.

Из богослужебных книг по древности замечательны евангелия: 1) Печатано в Москве в 1628 году, 1 июня, в царствование Михаила Федоровича; на заглавном его листе напечатано: “По совету и благословенно, по плоцкому рождению отца его, а в духовном чину отца и богомольца, великаго господина и государя, святейшаго кир Филарета, патриарха Московскаго и всея России, правящаго престоле святыя, великия, соборныя и апостольския церкви, Пресвятыя Владычицы нашея Богородицы и Приснодевы Марий, честнаго и славнаго Ея Успения, в лето 7136, в шестоенадесять лето благочестивый державы царства Государя и Великаго Князя Михаила Феодоровича всея России, в десятое лето патриаршества отца его и богомольца кир Филарета”. 2) Печатано в Вильне в 1644 году, декабря 21. 3) Печатано в Москве в 1698 году. 4) Печатано в Киеве в 1707 г.; обтянуто темно-зеленым бархатом.
В алтаре, по словам Н. И. Арандаренка (в 1846 году), хранилась древняя икона, перенесенная сюда из церкви с. Яковец, Полтавского уезда, где была некогда местной иконой; она изображала св. Василия, в золотом поле, и была изрезана шведами на шахматную доску. Где теперь находится — сведений нет.

В этом же соборе хранятся 12 знамен ополчения 1812 года и 13 знамен ополчения 1855 года.

В 1899 году заботами нынешнего Преосвященного предпринято расширение собора посредством каменной пристройки с западной стороны: внутри сняты два передних столба, хоры отодвинуты к западной стороне. Пристройка эта окончена в 1900 году; имеет в длину до 17 1/2 и ширину до 20 аршин. Стоимость ее около 20,000 руб. При закладке была положена медная доска со следующей надписью: “Расширение Полтавского кафедрального собора пристройкой с западной стороны совершено при державе Благочестивейшего Самодержавнейшего Государя нашего Императора Николая II всея России, по мысли и благословению Преосвященного Илариона, епископа Полтавского и Переяславского, ради большего простора и удобства молящихся, особенно учащихся детей, на средства, пожертвованные и собранные от других благотворителей духовенством Полтавской епархии, сочувственно отозвавшихся на призыв своего возлюбленного архипастыря к участию в сем деле, в лето тысяча восемьсот девяносто девятое от Рождества Христова. — 1899 года, 7 августа”.

До этого времени собор занимал земли 680 кв. саж., а затем, по ходатайству епископа Илариона, городская дума в VII-м очередном собрании, 23 сентября 1899 года, разрешила уступить 84 кв. саж. городской земли на соборной площади для расширения погоста кафедрального собора.

Из хранящейся при соборе церковной описи 1827 г. видно, что собору в то время принадлежали лавки, за которые от думы получалось на причт 300 руб. ежегодно. Теперь этих лавок нет, равно как в соборе и сведений нет о том, когда и куда они девались.
Бучневич В. Е. Записки о Полтаве и ее памятниках.

2-е изд. Исправл. и дополн. Полтава. 1902 г. Стр. 230-238