Собор Рождества Пресвятой Богородицы является самым значительным и монументальным сооружением в храмовом ансамбле села, не имеющим аналогов среди памятников Нижегородской области того времени. История его строительства практически неизвестна: до сих пор не установлены точные сроки возведения храма и имя инициатора его строительства. Предполагается, что собор был возведен в честь Рождества Пресвятой Богородицы в первой четверти XIX века на средства жителей села Катунки по указу Императора Александра I.

Первые попытки реставрации собора начались Нижегородской епархией в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Наиболее активные работы по восстановлению памятника проводились в 2000-е годы, когда архиепископ Нижегородский и Арзамасский Георгий и руководитель УФНС России по Нижегородской области Николай Поляков смогли привлечь необходимые средства для спасения собора. В 2003-2006 годах было укреплено побережье, что не только предотвратило угрозу обрушения собора, но и превратило его в благоустроенную набережную. Также проводились работы по реставрации живописи в интерьерах. 15 ноября 2007 года архиепископ Георгий освятил Собор Рождества Пресвятой Богородицы.

В книге писателя и краеведа П.Б. Еремеева "Арзамасская муза" говорится, что с 1805 года в течение двух лет известный арзамасский художник А.В. Ступин по заказу князя Грузинского расписывал храм в Катунках. Хотя в книге храм не назван, упоминается, что в нем было выполнено девяносто живописных композиций на евангельские и библейские сюжеты. Такое количество фресок могло разместиться только в интерьерах Рождественского собора, что позволяет датировать его началом XIX века.

Главный престол храма посвящен Рождеству Пресвятой Богородицы, правый, апостолам Петру и Павлу, левый, Николаю Чудотворцу. Церковь построена из красного крупного кирпича и оштукатурена. Объемно-планировочная структура храма относится к соборному типу: основу составляет кубовидный, трехсветный, четырехстолпный четверик, перекрытый системой парусных сводов с распалубками и световым пятиглавием. С трех сторон вход в храм предваряют портики тосканского ордера. На ширину восточного фасада устроен трехабсидный алтарь с высокой конховой крышей. Над четырехскатной кровлей возвышаются цилиндрические световые барабаны с арочными окнами, украшенные пилястрами. Луковичные главы были покрыты "в чешую" и украшены звездами. Завершения глав выглядели изящно: их конусы утончались до такой степени, что казались исчезающими в воздухе.