В 1728 году храм серьезно пострадал в результате крупного пожара, охватившего центр города. Восстановительные работы продолжались более десяти лет и завершились в 1741 году. Значительный вклад в восстановление храма внес сызранский помещик Алексей Васильевич Кандалаев. 20 ноября 1741 года храм был повторно освящен, о чем свидетельствует надпись на храмовом кресте: «Освятися жертвенник Господа Бога и Спаса нашего Иисуса Христа во храме Рождества Христова при державе благочестивейшая самодержавнейшая великая государыни нашея императрицы Елизаветы Петровны, по благословению великого господина нашего Преосвященнейшего епископа Казанского и Свияжского Луки в лето 1741 года, индикта 4-го месяца ноембрия в 20-й день, день памяти преподобного отца нашего Григория Декаполита».
Архитектурно храм представляет собой пример стиля, сочетающего элементы древнерусского зодчества и нарышкинского барокко. В его основе лежит трехчастная композиция: алтарь с тремя слабо выступающими апсидами, основной объем и трапезная, расположенные вдоль продольной оси. Центральный объем выполнен по схеме «восьмерик на четверике». Восьмерик завершается слегка приплюснутым куполом, увенчанным граненой луковичной главой на восьмигранной шейке, декорированной узкими прямоугольными нишами. Колокольня при храме отсутствует, так как функции звонницы выполняла расположенная неподалеку Спасская башня.
В 1872 году, после освящения новой Казанской церкви, храм Рождества Христова утратил статус кафедрального собора. В этот период на территории Сызранского кремля был построен тюремный острог, к которому и был приписан храм, служивший для проведения богослужений для заключенных и надзирателей.
В конце 1920-х годов храм был закрыт, а его имущество разграблено. Здание использовалось под различные хозяйственные нужды, включая инкубатор для выращивания цыплят. В 1950-х годах, в преддверии 275-летия Сызрани, храм получил статус памятника истории, культуры и архитектуры республиканского значения. Однако реставрационные работы не были завершены, и здание продолжало находиться в неудовлетворительном состоянии.
