В 1780-х годах, в связи с указом Екатерины II от 1772 года о выносе кладбищ за пределы городов, в Вологде было основано Богородское кладбище. Для отправления богослужений на новом кладбище не позднее 1790 года была построена первая каменная церковь, освящённая в честь Рождества Пресвятой Богородицы. Однако к началу XIX века она уже не удовлетворяла потребности прихожан из-за своих малых размеров.
Строительство нового храма началось в 1832 году под руководством церковного старосты, мещанина Александра Ивановича Попова-Тестова. Проект был разработан губернским архитектором Николаем Андреевичем Трубчанкиным. Каменное двухэтажное здание в стиле ампир было завершено в 1836 году. 11 октября того же года нижний (тёплый) храм был освящён во имя Рождества Пресвятой Богородицы, а 11 июня 1839 года — верхний (холодный) храм во имя Рождества Христова.
Архитектурно храм представляет собой двухэтажное кирпичное здание с ротондой звонницы, завершённой сферическим куполом с глухим барабаном и крестом на миниатюрной главке. К основному объёму примыкают трапеза и алтарная апсида. Фасады украшены четырёхколонными тосканскими портиками с треугольными фронтонами. В начале XX века по инициативе старосты Николая Кубрякова была удлинена трапезная часть храма и переделан вход на второй этаж, что придало зданию современные очертания.
В 1927 году в храме была открыта обновленческая община, и здание было разделено: верхний этаж занимали обновленцы, нижний — "староцерковники". В 1938 году верхний храм был закрыт, в нём размещался архив НКВД, а затем склад. Нижний храм оставался действующим, несмотря на репрессии 1937 года, когда были арестованы многие священнослужители. В 1939 году после смерти последнего священника прихожане смогли найти нового настоятеля, и храм продолжил функционировать.
В послевоенные годы, в связи с ростом религиозной активности, власти вернули верующим верхний храм, который стал кафедральным собором Вологодской епархии. С 1947 по 2014 год Рождество-Богородицкая церковь выполняла функции кафедрального собора. В собор были перенесены святыни из других закрытых храмов, включая раку с мощами преподобного Иосафа Спасо-Кубенского и список иконы Божией Матери "Скоропослушница".
В 1988 году, в год 1000-летия Крещения Руси, была восстановлена часовня праведного Николая Вологодского, расположенная на территории Богородского кладбища. Часовня была закрыта в 1938 году и использовалась как склад. В 1988 году она была возвращена приходу и отремонтирована. 3 июля 1988 года состоялось местное прославление блаженного Николая Рынина под именем Николая Вологодского.
