Собор Рождества Пресвятой Богородицы в Коренной пустыни в своем нынешнем виде и пропорциях существует с середины XIX века. Ранее на этом месте находился более скромный каменный храм, построенный в 1703 году, а до него стояли две деревянные церкви. Одна из них была сожжена в 1611 году во время польско-литовского нашествия, а другую разобрали из-за ветхости.

Строительство величественного собора в Коренной пустыни длилось восемь лет. Начавшись в 1852 году, оно завершилось в 1860 году. Изначально планировалось возводить собор по другому проекту, но в итоге строительство велось по плану, поступившему из канцелярии графа П.А. Клейнмихеля, который, посетив Коренную пустынь, обратил на нее особое внимание и заменил первоначальный проект на более подходящий для древности обители и ее местности.

Построенный собор стал доминантой архитектурного ансамбля и до своего разрушения в послереволюционное время вызывал восхищение паломников. В одном из старых описаний Коренной пустыни отмечается, что особенно красив вид на монастырь с противоположного берега реки Тускори, откуда открывается вся красота зданий, включая новый соборный пятиглавый храм в Русско-Византийском стиле.

Собор просуществовал до 1923 года, когда его разрушили. Восстановление храма началось в 2007 году и было завершено в 2009 году.