La catedral de la Natividad de Cristo, construida en el territorio de la fortaleza, fue el elemento central de su construcción hasta principios del siglo XIX. Los demás edificios se ubicaban a su alrededor en el perímetro de la ciudadela fortificada. La catedral se erigió en el lugar de una iglesia de madera de la Fuente Vivificante y es uno de los monumentos más antiguos de la ciudad que se han conservado hasta nuestros días.

Junto con la Torre de Spasskaya de finales del siglo XVII y la Catedral de Kazán, construida entre 1866 y 1872, forma un expresivo conjunto arquitectónico en la alta orilla izquierda del río Syzran. Construida con fondos del comerciante A.V. Kandalayev en el estilo del barroco naryshkin, la catedral de la Natividad de Cristo sirvió como modelo de estilo para la arquitectura cultual local hasta principios del siglo XIX. Esto se confirma con la apariencia de las iglesias parroquiales posteriores, que se construyeron de piedra en lugar de madera en la segunda mitad del siglo XVIII.

El plan de la catedral de la Natividad de Cristo se basa en una composición de tres partes: la propia catedral con un altar de tres ábsides, y la sala de comidas, ubicadas a lo largo del eje longitudinal. La parte central de la catedral está realizada según el esquema popular en ese momento de "octágono sobre cuadrado". El zócalo del edificio de ladrillo enlucido está decorado con dos medias bóvedas. La sala de comidas tiene un techo a dos aguas con un frontón en el extremo. El octágono, atravesado por pequeñas ventanas rectangulares, termina en una cúpula ligeramente aplanada. La construcción se completa con una cebolla facetada en la cabeza sobre un cuello octogonal, decorado con estrechas nichos rectangulares. No se construyó campanario junto a la catedral, ya que las campanas estaban en la Torre de Spasskaya.

En el interior, el espacio principal y el altar están conectados por tres arcos. El templo está cubierto con una bóveda de ocho tramos sobre trompas, y el ábside y la sala de comidas, con bóvedas de caja con desagües sobre las ventanas. Las esquinas del cuadrado, la sala de comidas y las uniones de los ábsides están acentuadas por pilastras decoradas con anchos. Los volúmenes principales están rodeados por cornisas con filas de pequeños soportes. Las ventanas rectangulares y los arcos de las puertas están enmarcados con molduras con sandrikes de arco, a excepción de la entrada principal con un remate semicircular y un archivolt. En total, hay 17 vanos de ventanas con una pequeña división cuadrada: cuatro en la sala de comidas, tres en el cuadrado central, cuatro en el octágono y tres en la parte del altar. La disposición asimétrica de las ventanas en el cuadrado recuerda las tradiciones de la arquitectura del siglo XVII. Así, la catedral de la Natividad de Cristo es una combinación de tradiciones rusas antiguas y un nuevo estilo barroco.