Храм, построенный в 1762 и 1774 годах в нарышкинском стиле, был возведён на средства жителей Палеха и окрестных деревень мастером Егором Дубовым. После революции 1917 года храм закрыли и превратили в музей. Последний настоятель, протоиерей Иоанн Рождественский, ныне признанный святым, был арестован и расстрелян.

В 1993 году храм передали Русской православной церкви, и он стал подворьем Николо-Шартомского монастыря. В 2012 году он перешёл в ведение Кинешемской епархии и получил статус кафедрального собора.

Церковь имеет четырёхстолпную структуру. Невысокий аттиковый ярус повторяет в плане среднюю часть основания храма. Восточная стена алтаря с конусообразной кровлей скруглена. Внутреннее пространство храма организовано по продольно-осевой симметрии с верхним пределом в виде лоджии. Декоративные элементы храма характерны для русского барокко: окна украшены в разных стилях, полукруглые наличники, оконные украшения с ушками и фартуками. Колокольня украшена ромбовидным узором и многоярусными нишами с изразцами. Высокий цоколь храма декорирован узким поясом поребрика. Архитектурные формы подчёркнуты одиночными колонками и их пучками.

Росписи начала XIX века выполнены в смешанной технике с граффити. Их создали московские мастера П. и М. Сапожниковы и палехские мастера А. Беляев и С. Вечерин. Росписи неоднократно обновлялись и реставрировались. Основные тона мягкие и пастельные. Иконографическая программа типична для времени создания храма: композиции квадратные и прямоугольные, заимствованные из немецких гравюр, с изменениями, которые делают изображения более рельефными и упрощёнными.

Палехская иконопись отличается смешением традиций, схожими ликами святых и цветными пробелами, профессиональным владением рисунком и многофигурностью композиций. Иконостас, выполненный в начале XX века в самарской мастерской братьев Белоусовых, стилизован под барочный иконостас XVIII века. В нём есть поздние иконы и несколько подлинников той эпохи.

Среди других икон выделяется «Спас в силах» XVIII века с геометрическим фоном, символизирующим земной и небесный мир. В клеймах иконы Смоленской Божьей Матери изображены Казанская и Владимирская иконы, а также иконы церковных праздников и святых. Примечателен редкий сюжет «Лествица Божественного восхождения» по книге Иоанна Лествичника. Сохранилась также деревянная скульптура «Христос в темнице» местного мастера, интерпретировавшего «Пермских богов».