Возведённый на территории крепости, Христорождественский собор вплоть до начала XIX века являлся композиционным центром её застройки: остальные сооружения как бы обступали храм, располагаясь по периметру укреплённой цитадели. Собор, построенный на месте деревянной церкви Живоносного источника, один из наиболее древних памятников города, сохранившихся нашего времени.
Вместе со Спасской башней конца XVII века и Казанским собором 1866-1872 годов, он и сегодня составляет выразительный ансамбль на высоком левобережье реки Сызрань. Возведённый на средства купца А.В. Кандалаева в стиле нарышкинского барокко, Христорождественский собор вплоть до начала XIX века служил образцом стиля в местной культовой архитектуре, о чём свидетельствует облик более поздних приходских церквей, выстроенных из камня взамен деревянных в течение второй половины XVIII века.
В основу плана Христорождественского собора положена трёхчастная композиция: собственно собор с трёхапсидным алтарём со слабо выступающими апсидами и трапезная нанизаны на продольную ось. Центральный объём собора выстроен по распространённой в это время схеме — восьмерик на четверике. Цоколь оштукатуренного кирпичного здания профилирован двумя полувалами. Трапезная покрыта двускатной крышей с фронтоном в торцовой части. Восьмерик, четыре грани которого прорезаны небольшими прямоугольными окнами, оканчивается слегка приплюснутым куполом. Завершением всего сооружения служит гранёная луковица главы на изящной восьмигранной шейке, каждая грань которой декорирована узкими прямоугольными нишами. Колокольня при соборе не строилась, поскольку колокола имелись неподалёку, на Спасской башне.
В интерьере пространство основного объёма и алтаря соединено тремя арочными проёмами. Храм перекрыт сомкнутым восьмилотковым сводом на тромпах, апсида и трапезная — коробовыми сводами с распалубками над оконными проёмами. Углы четверика, трапезной и стыки апсид снаружи подчёркнуты лопатками, которые в нижней части заглублены и украшены ширинками. По карнизу все основные объёмы опоясаны рядами мелких кронштейнов. Прямоугольные окна и дверные проёмы обрамлены наличниками с лучковыми сандриками; исключение составляет главный вход под полуциркульным завершением с архивольтом. Оконных проёмов с мелкой квадратной разбивкой всего 17: четыре — в двух противоположных стенах трапезной, по три окна в двух противоположных стенах центрального четверика, четыре — в восьмерике и три в алтарной части. Асимметричное расположение оконных проёмов в четверике напоминает об архаичных традициях, идущих от зодчества XVII века. Таким образом, Христорождественский собор в архитектурном отношении представляет собой сплав древнерусских традиций с новым стилем барокко.
