На том месте, где сейчас стоит Собор Рождества Богородицы, в 1670-х располагалась первая деревянная церковь города, построенная силами прихожан. В XVIII веке ее не раз перестраивали, но она оставалась деревянной. В церкви был престол во имя Пресвятой Богородицы, имелась колокольня.

Старейшее здание города полностью сгорело в пожаре 1822 года, настигшем город. После этого пожара и началась история современного внешнего вида собора. Было решено построить на месте церкви храм, однако средств не хватало, тогда деньги на строительство собора выделил центр, которым в то время был Каменец-Подольский.

Храм начали возводить в 1835 году, а освятили его 15 мая 1837 года. Храм окружал кирпичный забор длиной около 200 метров, имелась колокольня с четырьмя колоколами, самый большой из них весил около 320 кг. Имя архитектора, построившего Собор Рождества Богородицы, неизвестно.

Известно, что в 1850-х в храме был собран богатый фонд церковной литературы, самым старейшим изданием был напечатанный в Киеве «Часослов» 1729 года. Но более литературы многих прихожан интересовало другое церковное сокровище, слухи о котором распространились далеко за пределы Хмельницкого – древняя чудотворная икона Божией Матери. Даже в те времена этот образ уже считался старинным, он сохранился во время пожара 1822 года. Икону украшал серебряный венец, а 8 подвесок из серебра были свидетельствами исцеления людей от болезней – эти подвески были «жертвами» богомольцев чудодейственной иконе.

Также известно, что до советских «потрясений» в церкви имелся подарок от самого царя Александра Александровича (сына Александра II) – именная серебряная дарохранительница. Александр подарил ее собору в день смерти своего брата Николая Александровича 12 апреля 1865 года. Тогда он выделил 6 тысяч рублей на украшение православных церквей.

К сожалению, ни подарок царя, ни чудодейственная икона не дошли до нашего времени – в 1930-х они исчезли, дальнейшая судьба их неизвестна. Но сейчас в церкви имеется копия той иконы, которую в 1845 году заказали для храма меценаты.

Как и многие другие достопримечательности Хмельницкого, в советские времена Собор Рождества Богородицы сильно пострадал. В 1932 году знаменитые колокола были отправлены на нужды индустриализации, в 1937 году храм закрыли и использовали как склад, затем как архив. В 60-е храм хотели уничтожить, но этого не произошло по неизвестным причинам.

В 1990 году двери храма вновь открылись для прихожан.