В соответствии с историческими документами на месте Кафедрального собора Рождества Пресвятой Богородицы изначально находилась ветхая часовня во имя Рождества Богородицы.

Позднее, в 1766 году, здесь была построена деревянная церковь с тем же наименованием. В 1778 году её заменили новой, но в 1791 году храм сгорел от удара молнии. В 1795 году на площади Старого базара была построена новая каменная церковь во имя Рождества Пресвятой Богородицы.

1822 год ознаменован решением Синода о переводе церкви в храм «Соборной», и 20 апреля было произведено официальное освящение. Но к этому времени вместимости храма уже не хватает, и горожане на общем собрании решают строить новую церковь.

Сооружение её началось в 1854 году и длилось шесть лет. Строительство, кроме позолоты куполов, осуществлялось строго по проекту, разработаному профессором Константином Андреевичем Тоном. На позолоту средств не хватило, и Синод разрешил покрасить купола ярмедянкой.

Храм выделялся своими размерами и величественностью. В плане он представлял собой равноконечный крест. Двухцветный чеверик храма завершался шлемовидной главой. Центральный барабан прорезан двенадцатью полуциркульными оконными проемами, которые обрамлены килевидными кокошниками. Внутреннее пространство храма формируют четыре пилона, несущие барабан и купол. Стены оштукатурены и покрыты росписью на библейские и евангельские сюжеты. Трехъярусные иконостасы выполнены в виде часовен, увенчанных шатрами с главкой и крестом. Вход в храм осуществлялся с южного, северного и западного фасадов. По проекту областного военного архитектора Антона Кампиони рядом с Кафедральным собором строится колокольня. Она запроектирована в классическом стиле с использованием элементов эпохи Ренессанса и представляла собой сооружение из четырех ярусов, увенчанных восьмилепестковой главкой луковичной формы. Главу колокольни венчал позолоченный крест.

В послевоенные годы установили иконостас, выполненный по аналогу московского храма Христа Спасителя, и художник Волков восстановил росписи в интерьере храма. В настоящее время завершено восстановление колокольни собора по проекту архитектора Ю. Н. Солнышкина.