Его строительство было завершено в 1773 году по инициативе братьев-заводчиков Андрея и Ивана Родионовичей Баташевых, основателей Выксунского металлургического завода.
Первоначально на месте нынешнего собора находилась деревянная церковь, предположительно построенная в 1765 году. В 1773 году на её месте был возведён каменный храм, проект которого приписывается местному архитектору Михаилу Кисельникову. Архитектурный стиль собора сочетает элементы барокко и раннего классицизма, что отражается в композиции фасадов и внутреннем убранстве.
Собор состоит из двух основных частей: летней (холодной) и зимней (тёплой) церквей. Летняя церковь имеет высокий купол и многоярусный иконостас в готическом стиле. Зимняя церковь включает два придела: во имя святителя Николая Чудотворца и во имя Иоанна Богослова. Под тёплой частью храма был устроен фамильный склеп-усыпальница, где были захоронены представители семей Баташевых, Шепелевых и Кутайсовых.
Колокольня собора, завершённая после 1787 года, представляет собой четырёхъярусное сооружение. Первый ярус украшен колоннами тосканского ордера, второй ярус имеет смотровую площадку с металлической решёткой и чугунными вазами, что подчёркивает связь храма с металлургическим производством.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной кампании, собор был закрыт, а его последний настоятель, протоиерей Пётр Смолянинов, арестован и погиб в 1937 году. Во время Великой Отечественной войны в здании храма размещались столовая и кухня курсантов военного училища, а позднее — конюшня, заправка и пожарная станция. К 1980-м годам здание находилось в аварийном состоянии: были утрачены кровля, перекрытия, полы и другие элементы.
В 1988 году собор был возвращён Русской православной церкви, и начались реставрационные работы. Восстановление осуществлялось при участии Общества охраны памятников истории и культуры, а также при поддержке местных предприятий и прихожан. В 1989 году была освящена трапезная часть храма, а в 1990 году — летняя часть. Собор вновь обрёл три престола: главный — в честь Рождества Христова, правый — во имя святителя Николая Чудотворца, левый — во имя великомученика Пантелеимона.
Внутреннее убранство собора включает мраморные полы в летней части, деревянные полы в зимней части, лепные изображения ангелов по карнизу и заново изготовленный иконостас. В 2003 году купол колокольни был позолочен специальным покрытием, а в 2004 году началась роспись стен. Территория храма огорожена чугунной оградой, изготовленной специалистами Выксунского металлургического завода.
