В конце XVI века в Путивле на месте древнерусского деревянного острога была возведена каменная крепость, известная как Кремль. Она имела шестиугольную форму с круглыми угловыми башнями и квадратной надвратной башней. Стены крепости были относительно невысокими и имели три яруса бойниц. Французский путешественник Жак Маржерет, посетив Путивль, отметил, что в России замки и крепости в основном деревянные, за исключением Москвы, Смоленска, Иван-Города, Тулы, Казани, Астрахани и Путивля.

В 1592 году, зная о надежности путивльской крепости, здесь обосновались монахи загородной Молченской пустыни. Они построили каменный храм Рождества Пресвятой Богородицы и вскоре превратили крепость в монастырь. Монахи обязаны были защищать монастырь-крепость в случае нападения.

История Молченского монастыря тесно связана со "смутным временем". В 1598 году, после смерти царя Федора Ивановича, династия Рюриковичей прервалась, и на престол взошел Борис Годунов. В народе ходили слухи, что царевича Дмитрия убили по приказу Годунова. Монах Григорий Отрепьев, сбежав в Польшу, стал выдавать себя за спасшегося царевича Дмитрия. Польские феодалы решили использовать "Лжедмитрия" в своих целях и отправили войско на Москву, надеясь захватить русские и украинские земли. Путивльские земли самозванец обещал своему покровителю, сандомирскому воеводе Юрию Мнишеку.

В битве под Добрыничами войско Годунова победило Лжедмитрия, и тот отступил к Путивлю, где укрепился. Путивль и другие города Северской земли перешли на его сторону. Историк Н.М. Карамзин объясняет это тем, что здесь еще "жил старый дух литовский", а голландский купец Исаак Масса называл Путивль "главой и зачинщиком всех мятежных городов".

Лжедмитрий сделал своей резиденцией в Путивле каменную крепость, а именно собор Рождества Пресвятой Богородицы Молченского монастыря. Его комната находилась в верхнем ярусе главной башни собора. Четыре месяца он рассылал письма, извещая о своем "чудесном спасении" и призывая на борьбу с Годуновым.

Собрав новое войско, самозванец в 1605 году двинулся на Москву. В это время умер Борис Годунов, и Лжедмитрию удалось занять престол. Однако, спустя год, он был убит.

В "смутное время" Молченский монастырь неоднократно горел и был заново освящен в 1630 году. На рубеже XVII-XVIII веков его реконструировали в стиле украинского барокко. В конце XVII века, утратив значение крепости, Путивль пришел в упадок. Город-крепость стал провинциальным уездным городком.

Молченский монастырь также пришел в упадок. При Екатерине II он потерял свои земли и был переведен в статус "монастыря 3-го класса". В 1917 году "октябрьский переворот" разрушил прежние устои.

В начале 1920-х годов монастырь был разорен и разграблен, а после поджога упразднен. В 1940-х его переоборудовали в ремесленное училище, а в 1950-х разместили завод радиодеталей. Однако кресты на соборном храме остались.

В 1987 году монастырь стал частью Путивльского историко-культурного заповедника. В 1992 году он был возвращен церкви и вновь стал мужским монастырем. С 1997 года, по решению Синода Украинской Православной церкви, монастырь стал женским. Началась реставрация древнего монастыря, уникального памятника архитектуры XVII века, благодаря усилиям верующих и монахинь.