Церковь изначально представляла собой небольшое деревянное богослужебное сооружение. Однако третий одесский градоначальник Дюк де Ришелье в 1805 году решил выделить целый квартал под масштабное строительство храма. Первый архитектор собора – Ф. Фраполли. Сразу после открытия в соборе стал работать детский дом, приют для престарелых и школа для католиков. В 1853 году собор Успения Пресвятой Богородицы был освящен по приказу губернатора графа Воронцова. Во время Второй мировой войны и в послевоенный период костел не работал и претерпевал разруху. Только в 1991 году собору вернули его изначальное предназначение. Здесь снова стали служить мессу и проводить катехизис. Начались длительные реконструкционные работы внешних стен здания. В 2008 году фасад украсили скульптуры Папы святого Мартина и Папы Иоанна Павла ІІ. Святые мессы в костеле проводятся ежедневно на трех языках: русском, польском и украинском.