В ущелье Мариамполь (г. Бахчисарай), где расположен монастырь, христианские артефакты археологи датируют VI–VIII вв. Многие учёные согласны с утверждением, что монастырь был основан византийскими монахами-иконопочитателями не позднее VIII века.

В данной местности проповедовали свв. равноап. Кирилл и Мефодий. В 1970-х гг. директор Бахчисарайского историко-культурного заповедника (Чореф М.) обнаружил на территории монастыря "сан" (родовой знак) св. равноап. кн. Владимира.

В связи с начавшимися набегами и последующим захватом Крыма монголо-татарами (XIII в.), монашеская традиция здесь была прервана.

С XV в. монастырь стал резиденцией Готфских митрополитов.
С этого же времени известны первые упоминания о явлении на скале чудотворной иконы Пресвятой Богородицы, где был создан храм в честь Её Успения (день явления 15 авг.). Первый крымский хан Хаджи-Герай выказывал почтение этой иконе, жертвовал пудовые свечи (был похоронен неподалёку от Успенской скалы; перенёс столицу ханства – основал Бахчисарай).
Известны грамоты (ГИМ, РГАДА Москва) XVI в. о помощи московских великих князей и царей (Феодор Иоаннович) Успенскому храму.
Поскольку к ханам часто приезжали послы московского государства, Успенская церковь была часто ими посещаема. Кроме них, из известных посетителей того периода стоит упомянуть Богдана Хмельницкого.

В целом, с XV по XVIII век Успенский монастырь был главным оплотом духовной жизни православного населения Крыма. Эта оценка является общепринятой и не взывает споров.

В 1778 г. христианское население (около 32 тыс. чел.), спасаясь от преследования мусульман, под водительством митрополита Готфского Игнатия (Газадини) покинуло полуостров с Бахчисарайской иконой Божией Матери (переход охраняли войска А. В. Суворова). Выходцы из ущелья Мариамполь, на землях, предоставленных Екатериной II, впоследствии основали Мариуполь.

С 1781 г. монастырь действовал как приходская церковь (служил греческий священник Константин Спиранди). Ущелье Мариамполь вызвало интерес в т.ч. и у иностранных путешественников, которые во множестве публиковали свои впечатления от посещения этого места (известно более тридцати описаний-заметок на иностранных языках).

В 1850 г., после предоставления рапорта свт. Иннокентием Таврическим, была возрождена монашеская община с учреждением Успенского скита, который по его инициативе был главным монастырём («лаврой для всех будущих крымских скитов»).

В период Первой обороны Севастополя в Крымской войне в 1854–1855 г. в кельях, доме паломников и других строениях монастыря размещался госпиталь. Умерших от ран хоронили на монастырском кладбище (генералы Веймарн, Вревский, Полторацкий, Пероцкий, др.).

Во второй половине XIX в. на территории обители было пять храмов: Успенский пещерный храм, пещерный храм евангелиста Марка, храм Константина и Елены, кладбищенский храм Георгия Победоносца, церковь святителя Иннокентия Иркутского. Кроме того, были сооружены несколько братских корпусов, дом настоятеля, дома для паломников, устроены фонтаны и фруктовый сад. В монастыре проживали до 100 человек. Имелось подворье в Симферополе и киновия святой Анастасии в долине реки Качи.
Известные посетители XIX в.: все Российские императоры и многие члены семьи Романовых, королева Сербии Наталья Обренович, Пирогов, Жуковский, Грибоедов, Мицкевич, Л. Толстой, А. Толстой, Крамской, Куинджи, Шмелёв, Волошин. Многие видные церковные деятели причастны к истории обители (были наместниками). Один из игуменов монастыря прославлен в лике новомучеников (священноисповедник Феодосий Ганицкий).

После окончательной смены власти в Крыму, монастырь был закрыт и разграблен (ноябрь 1920 г.).

Во время Великой Отечественной войны здесь размещался военный госпиталь. На монастырской территории находится братская могила советских воинов. Начиная с послевоенного периода здесь размещался психоневрологический интернат.

В 1993 г. возвращён Украинской православной церкви (Московского патриархата).
Восстановлены и освящены четыре из пяти монастырских храмов, келейные корпуса, дом настоятеля, колокольни, обустроен водный источник, реконструирована лестница. Построены и освящены новые храмы: святого великомученика Пантелеимона; святителя Спиридона Тримифунтского.

Настоятелем монастыря с 1993 г. является архимандрит Силуан.
В настоящее время по численности насельников обитель является крупнейшей в Крыму.

С октября 2015 г. комплекс Успенского пещерного монастыря является объектом культурного наследия федерального значения.