Церква спочатку являла собою невелику дерев`яну богослужбову споруду. Однак третій одеський градоначальник Дюк де Рішельє в 1805 році вирішив виділити цілий квартал під масштабне будівництво храму. Перший архітектор собору – Ф. Фраполлі. Відразу після відкриття в соборі почав працювати дитячий будинок, притулок для людей похилого віку та школа для католиків. В 1853 році собор Успіння Пресвятої Богородиці було освячено за наказом губернатора графа Воронцова. Під час Другої світової війни та в післявоєнний період костел не працював і зазнавав розрухи. Тільки в 1991 році собору повернули його початкове призначення. Тут знову почали служити месу та проводити катехизис. Почались довгі реконструкційні роботи зовнішніх стін будівлі. В 2008 році фасад прикрасили скульптури Папи святого Мартіна та Папи Іоанна Павла II. Святі меси в костелі проводяться щоденно трьом мовами: російською, польською та українською.