Первоначально на месте существующих каменных церквей Успенского прихода было подворье Спасо-Прилуцкого монастыря с деревянным храмом преподобного Димитрия Прилуцкого, от которого протекающий рядом Крутой ручей стал называться Дмитриевским. В дозорной книге города Тотьмы 1620 г. у Дмитриевского ручья уже значатся «храм холодный Воскресения Христова клетцки, да другой храм теплый Дмитрия Прилуцкого чудотворца».  В 1749–1755 гг. была построена каменная одноэтажная Успенская церковь с приделами во имя Прокопия и Иоанна, Устюжских чудотворцев, и Николая Чудотворца. По «непрочности строения» церковь в 1800 г. была разобрана, вместо нее предполагалось согласно указу от 1792 г. построить каменную двухэтажную: внизу – во имя Успения Пресвятой Богородицы, а вверху – в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радости». Но проект не был реализован полностью. Построена была лишь одноэтажная Успенская церковь в одной связи с колокольней, а вместо верхнего этажа возвели деревянное завершение, перекрытое сферическим куполом и увенчанное шарообразной главкой. К началу ХХ в. в церкви находился выкрашенный белой краской иконостас, построенный в классическом стиле в середине XIX в.

После закрытия при советской власти большинства тотемских церквей Успенский храм до 1937 г. оставался единственным действующим. После закрытия храма в здании разместился цех по изготовлению макаронных изделий и патоки, а с 1962 г. – кондитерский цех. В примыкающей к колокольне северной палатке с 1960-х гг. по 1973 г. находился магазин по продаже керосина, гвоздей и рабочего инвентаря. В восточной части здания размещалось еще одно предприятие – фильмопроверочная Тотемского кинопроката. В конце 1970-х гг. была проведена работа по изучению состояния историко-архитектурного наследия города. Решением Вологодского облисполкома «О мерах по улучшению охраны и использования памятников истории и культуры города Тотьмы» было учтено и взято на государственную охрану 37 памятников, представляющих историко-культурную ценность, в их числе и Успенская церковь. С 1995 г., после проведения реставрационных работ, в здании Успенского храма открылась экспозиция Музея церковной старины Тотемского музейного объединения.