Христорождественский собор, построенный на территории крепости, до начала XIX века был центральным элементом её застройки. Остальные здания располагались вокруг него по периметру укреплённой цитадели. Собор возведён на месте деревянной церкви Живоносного источника и является одним из древнейших памятников города, сохранившихся до наших дней.

Вместе со Спасской башней конца XVII века и Казанским собором, построенным в 1866-1872 годах, он образует выразительный архитектурный ансамбль на высоком левом берегу реки Сызрань. Построенный на средства купца А.В. Кандалаева в стиле нарышкинского барокко, Христорождественский собор до начала XIX века служил образцом стиля для местной культовой архитектуры. Это подтверждается обликом более поздних приходских церквей, которые строились из камня вместо дерева во второй половине XVIII века.

План Христорождественского собора основан на трёхчастной композиции: сам собор с трёхапсидным алтарём, трапезная, расположенные вдоль продольной оси. Центральная часть собора выполнена по популярной в то время схеме "восьмерик на четверике". Цоколь оштукатуренного кирпичного здания украшен двумя полувалами. Трапезная имеет двускатную крышу с фронтоном на торце. Восьмерик, прорезанный небольшими прямоугольными окнами, завершается слегка приплюснутым куполом. Завершает сооружение гранёная луковица главы на восьмигранной шейке, декорированной узкими прямоугольными нишами. Колокольня при соборе не строилась, так как колокола находились на Спасской башне.

В интерьере основное пространство и алтарь соединены тремя арочными проёмами. Храм перекрыт сомкнутым восьмилотковым сводом на тромпах, а апсида и трапезная, коробовыми сводами с распалубками над окнами. Углы четверика, трапезной и стыки апсид снаружи подчёркнуты лопатками, украшенными ширинками. Основные объёмы опоясаны карнизами с рядами мелких кронштейнов. Прямоугольные окна и дверные проёмы обрамлены наличниками с лучковыми сандриками, за исключением главного входа с полуциркульным завершением и архивольтом. Всего 17 оконных проёмов с мелкой квадратной разбивкой: четыре в трапезной, три в центральном четверике, четыре в восьмерике и три в алтарной части. Асимметричное расположение окон в четверике напоминает о традициях зодчества XVII века. Таким образом, Христорождественский собор является сочетанием древнерусских традиций и нового барочного стиля.