Изначально на месте собора Рождества Пресвятой Богородицы находился деревянный храм в три престола, основанный греками в 1757 году. Храм был освящен в честь Владимирской иконы Божьей Матери. Его называли Греко-Владимирской церковью.
В 1812 году, в честь победы над войсками Наполеона возвели каменный храм. Через несколько лет здесь также была построена трехъярусная колокольня в стиле классицизма, увеличена почти вдвое площадь храма, а также перенесен церковный архив из Свято-Троицкой крепостной церкви, содержащий метрические акты и исповеднические записи.
В 1944 году был закрыт кафедральный собор Успения Пресвятой Богородицы, и Греко-Владимирская церковь получила статус кафедрального собора, а ее главный придел переименован в честь Рождества Пресвятой Богородицы. Собор стал единственным из всех храмов Кировограда, который не был закрыт во времена советской власти.
Ныне в соборе есть три придела: левый освящен в честь Иоанна Предтечи, Крестителя Господнего, центральный – в честь Рождества Пресвятой Богородицы, правый – в честь великомученицы Екатерины. В храме сохранились росписи реставрации 1905 года. Также здесь хранятся чудотворная икона Казанской Божьей Матери, икона Богородицы «Пантанасса» («Всецарица»), икона святой праведной Елисаветы (матери Иоанна Крестителя и покровительницы города) с частицей мощей Иоанна Крестителя, икона преподобного Иова Почаеского с частицей его мощей, мощи священномученика Николая Искровского, великомученика Димитрия Солунского и много других святынь. На подворье храма расположено епархиальное управление, при соборе действует архиерейский хор.