Строительство храма началось в 1668 году по инициативе и на средства царицы Марии Ильиничны Милославской, супруги царя Алексея Михайловича.Царица, имея особую привязанность к этим местам, пожелала основать в Солигаличе женский монастырь и возвести для него собор.Однако после её смерти в 1669 году финансирование прекратилось, и строительство было приостановлено.К тому времени были возведены только нижняя часть храма и шатровая колокольня.
В 1764 году, в ходе секуляризационной реформы Екатерины II, Рождественский монастырь был упразднён, а недостроенный храм преобразован в приходскую церковь, вскоре получившую статус городского собора. Строительство возобновилось лишь в 1792 году. Согласно одной версии, инициатором продолжения работ стал губернский архитектор Н. И. Метлин, по другой — финансирование обеспечил Ф. И. Нащокин. К 1805 году собор был полностью завершён и освящён.
Архитектурно собор представляет собой двухэтажное здание с пятью куполами. Верхний этаж предназначался для летних богослужений, нижний — для зимних. В интерьере сохранились росписи, выполненные мастерами из Палеха, а также резной иконостас в стиле барокко, датируемый 1826–1827 годами.
В 1821 году на стенах собора появились трещины, и по проекту архитектора Метлина восточная стена была укреплена контрфорсами. В 1887 году верхние ярусы колокольни были перестроены на средства М. П. Михалева, предположительно под руководством архитектора Иванова. До этого колокольня также имела шатровое завершение.
В 1925 году собор был закрыт, и в 1927 году в его здании разместился краеведческий музей имени Г. И. Невельского, который функционировал до 2000 года. В марте 2004 года собор был передан Костромской епархии Русской Православной Церкви.
