Церковь Рождества Пресвятой Богородицы служила зимним, теплым, соборным и трапезным храмом Арзамасского Спасо-Преображенского монастыря. Первое краткое описание монастыря, датируемое 1585 годом, упоминает эту церковь наряду с главным храмом Преображения Господня. Оба здания были деревянными, и церковь имела придел святой великомученицы Анастасии. Документ 1626 года добавляет, что у церкви был трапезный прируб. Вопрос о времени постройки нынешнего каменного храма остается открытым. В описи 1763 года, составленной капитаном А. Тихменевым, указано, что точная дата постройки неизвестна. А.С. Петряшин предполагает, что храм был возведен между 1660 и 1690 годами, основываясь на датах освящения антиминсов. Если верить дате на антиминсе, каменный храм мог существовать уже в 1666 году. В это время церковный придел был освящен в честь Сретения Господня, а не святой Анастасии, как в деревянном храме.

Церковные помещения с главным и придельным престолами располагались на втором этаже массивного каменного здания. А.С. Петряшин предположил, что пятиглавое завершение храма могло сопровождаться тремя рядами кокошников. Первоначальное покрытие четверика, на котором стояли барабаны с главами, было четырехскатным, а кокошники включены в высокий кирпичный аттик. На архивных фотографиях конца XIX, начала ХХ века, вероятно, запечатлено именно это первоначальное завершение церкви.

Главный престол в честь Рождества Пресвятой Богородицы был освящен в 1806 году архиепископом Вениамином, в 1830 году епископом Афанасием и в 1851 году епископом Иеремией. Престол в приделе Сретения Господня освящен в 1738 году архиепископом Питиримом и в 1830 году епископом Афанасием. Замена антиминсов могла указывать на завершение строительных работ в теплом храме.

Крупные изменения в облике здания произошли в 1860-е годы, когда был добавлен одноэтажный пристрой вдоль южной стороны, а в 1907 году построено каменное крыльцо с западной стороны. В XIX веке регулярно проводился ремонт здания, включая штукатурку, побелку стен и покраску кровель.

Церковь Рождества Богородицы использовалась для зимних богослужений, поэтому здание отапливалось. В 1910 году в верхнем этаже были четыре голландские печи, обитые железом, а в нижнем, четыре голландские и одна русская печь, находившаяся в братской кухне. Печные трубы видны на старых фотографиях монастыря, но определить, какие из них относятся к первому или второму этажу, сложно.

Ликвидация монастыря началась в 1919 году с приходом советской власти. Церковь Рождества Богородицы оставалась последним действующим храмом и была закрыта 6 марта 1929 года, после чего использовалась как детская библиотека и жилые квартиры. В последующие годы верхняя часть четверика и алтарные апсиды были разрушены, а восточная часть второго этажа перестроена в жилой дом. К 2012 году, когда здание передали Церкви, крыльцо и крытый притвор с запада были почти полностью утрачены, а оставшиеся части находились в аварийном состоянии.