Кафедральный собор Рождества Христова, способный вместить тысячу человек, был построен в рекордные сроки. В сентябре 2010 года, во время своего первого визита в островную епархию, Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл благословил строительство нового кафедрального собора Южно-Сахалинской и Курильской епархии на площади Победы. Строительство началось в 2012 году и завершилось в 2016 году. Богослужения стартовали в нижнем храме с 2013 года. Чин Великого освящения собора в честь Рождества Христова в Южно-Сахалинске и Божественную Литургию в новоосвященном храме возглавил 4 сентября 2016 года Святейший Патриарх Кирилл.

Архитектура и роспись собора отражают идею переноса многовековых традиций из духовного центра России, таких как Свято-Троицкая Сергиева Лавра, на Дальний Восток. Высота собора составляет 77 метров, и он построен в традициях новгородских храмов. Над главным входом расположены часы-куранты диаметром более 4 метров, с колокольным звоном, напоминающие башенные часы на Спасской башне в Москве. В светлое время суток они отбивают каждый час, а каждые 15 минут звучит небольшой перезвон. Главный колокол весит 6700 кг, а самый маленький, 18 кг.

Одновременно с возведением стен создавались иконы и мозаики. Для соблюдения единства и каноничности иконографии был создан художественный совет под председательством архимандрита Луки (Головкова), руководителя Иконописной школы Московской духовной академии. Совет тщательно отбирал мастеров для росписи собора и сами образы, благодаря чему храм поражает своей красотой и стилистическим единством. Основной пятиярусный иконостас включает 98 икон. Главный вход, алтарь и стилобат украшены мозаиками общей площадью 175 м². В соборе также более 200 м² витражей. Основное освещение обеспечивает двухъярусный хорос в форме купола. В центре храма размещена 10-метровая флорентийская мозаика с изображением Вифлеемской звезды, которая особенно хорошо видна с четвертого этажа галерей, окружающих храм.