Строительство храма в честь Рождества Пресвятой Богородицы началось в 1872 году в селе Зуево, которое впоследствии стало частью города Орехово-Зуево. Инициатором строительства выступил священник Феодор Орловский, под руководством которого велись строительные работы. Строительство было завершено в 1890 году, и новопостроенный храм освятил епископ Можайский Александр (Светланов).
Архитектурно собор представляет собой пятикупольное сооружение в форме четырёхугольника площадью 1240 м², символизирующее духовный корабль. Храм имеет четыре престола: главный — в честь Рождества Пресвятой Богородицы, а также приделы святителя Николая, великомученика Пантелеимона и, установленный в 2006 году, престол в память Всех святых, в земле Российской просиявших.
В советский период собор практически не закрывался. После Великой Отечественной войны он был одним из трёх действовавших городских соборов в Московской области, наряду со Свято-Троицким собором в Подольске и Александро-Невским в Егорьевске.
В 1934—1935 годах диаконом в соборе служил Алексей Протопопов, впоследствии канонизированный как священномученик.
В настоящее время на территории собора находятся два духовно-просветительских центра. В одном из них располагается воскресная школа, библиотека и паломнический центр «Благодатный дом». Территория храма благоустроена: здесь есть пруд, спортивная и детская площадки, что способствует привлечению прихожан и гостей города.