Первое упоминание о храме на этом месте относится к XII веку. Согласно сохранившимся сведениям, деревянная церковь была построена в 1160-х годах по повелению князя Андрея Боголюбского. Предание связывает основание храма с чудесным спасением князя во время охоты в местных лесах. Первоначально церковь освятили в честь Рождества Христова, что дало название селу Рождественскому, позднее переименованному в Коврово.
Каменный храм на месте деревянных предшественников был возведен во второй половине XVII века, вероятно, в 1690-х годах. К началу XVIII века церковь уже упоминается как каменная. Архитектурное решение представляло собой бесстолпный двусветный четверик с пятиглавием, фасады которого завершались поясом кокошников. Северный придел был освящен во имя преподобного Макария Калязинского.
В 1778 году храм подвергся значительной перестройке. В конце XVIII века в трапезной части устроили новый придел в честь Смоленской иконы Божией Матери. Эта икона, почитаемая как чудотворная, была перенесена из села Нестерово после пожара в середине XVII века. Ежегодно 28 июля в храме совершалось празднование в честь этого образа.
В 1870 году церковь получила статус собора. В 1920-1926 годах он являлся кафедральным собором Ковровского викариатства Владимирской епархии. В 1937 году собор был закрыт, венчания разрушены. Богослужения возобновились в 1946 году, после чего до 1991 года Христорождественский собор оставался единственным действующим храмом в Коврове.
Архитектурный облик собора сочетает элементы традиционного русского зодчества и классицизма. Основной объем представляет собой двусветный четверик, завершенный пятиглавием. Колокольня выполнена в стиле классицизма. В интерьере сохранились фрагменты росписей и церковного убранства конца XIX века.