Храм возводится с 1791 по 1842 г. В соответствии с традиционной схемой собор имеет три составные части: собственно церковь, трапезную и колокольню. Колокольня построена в 1825 — 1835 годах. Трапезная — после 1839 г. И освящена в 1842 г. Престолов пять.

В высокоторжественные дни в соборе собиралось до 2500 человек. Собор имел необыкновенно богатое внутреннее убранство. Внутри собор напоминал картинную галерею. На стенах было около 30 картин кисти известных художников итальянской школы. До 1917 г. в соборе имелись: водопровод, паровое отопление с паровым насосом, электрическое освещение с 800 лампочками. Церковь была обнесена железной, на кирпичном фундаменте, оградой с двумя воротами и тремя калитками.

После 1917г. собор подвергся разграблению и 26 июня 1931 г. был закрыт. До 50-х годов собор использовали как склад, но было решено обветшавшее здание передать краеведческому музею. С 1957 г. началась его реставрация, и долгие годы в соборе размещался краеведческий музей. В 1991 г. по требованию жителей Липецка собор был передан верующим. 8 января 2001 г. в Христорождественский собор были перенесены мощи 82 святых подвижников Киево-Печерских.